参考文章：https://blog.****.net/charliewangg12/article/details/77896762、https://www.jianshu.com/p/3afc1eb5bd32

一、前言

USB通用串行总线（Universal Serial Bus）在计算机系统中使用的很广泛，相比较RS232、RS485、CAN总线而言，USB的协议层比较复杂，但是物理层的原理很相似。我们先看看物理层的区别。

 

二、物理层

USB总线和RS485和CAN总线类似，都是使用两根差分信号线（D+、D-）进行数据传输，在我之前的一篇关于CAN总线仲裁的文章（https://blog.****.net/tq384998430/article/details/79126597）中有介绍，CAN总线上有两种状态：显性和隐性，通过线与运算可以实现优先级仲裁工作。与CAN总线不同的是，对于USB FULL SPEED DEVICE来说USB总线拥有4中状态：J、K、SE0、SE1，对应的差分线状态为：

Data J state：D+=1，D-=0；
Data K state：D+=0，D-=1；
SE0：D+=D-=0;
SE1：D+=D-=1;

USB物理层使用这4种状态来进行信号传输，也就是在总线上有这4种状态，在分析USB的物理层数据格式之前，先使用RS232协议作为开门砖。由于RS232总线只有一根数据线，且传输的是数字信号，所以总线只能表述两种状态：高电平、低电平，所以使用RS232进行数据传输的信号格式如下图：

.

空闲状态下RS232总线上的状态为高电平，启动传输的时候总线上会先产生一个起始位（Start Bit），表示数据传输的开始，后续传输8位的数据，传输完成数据之后继续传输一个停止位（Stop Bit），表示数据传输的结束。上面这个过程就是一个完整的RS232物理层的数据帧，这个帧只包含8个位的有效数据，如果需要传输多个字节的数据，需要在上一层协议中进行传输控制。

理解了RS232协议之后，USB总线的物理层也就简单了。USB总线也有空闲状态，空闲状态下总线处于J状态。开始进行数据传输的时候USB总线也发出一个类似于RS232协议中的“起始位”的信号，叫做SYNC（同步域），用于通知接收设备开始进行数据传输，同步域由多个位的信号构成。结束数据传输的时候USB也会发出一个类似于RS232协议中"停止位"的信号，叫做EOP（结束域），处于EOP时，总线处于SE0状态若干个位的时间。在SYNC和EOP之间的就是有效的数据，这个数据就USB协议层的内容了，我们物理层先不管这个USB协议层的内容。下图就是USB物理层的信号结构：

可以看出USB物理层的传输以SYNC开始以EOP结束，加上中间的有效数据，整个过程称为一个Packet（包）。Packet是USB中的最小传输单位，和上面介绍的RS232中的一个数据帧一样，但是不同的是RS232的一个最小传输单位只有一个字节，而USB的最小传输单位Packet可以包含多个字节的数据。现在我们大致了解了USB总线物理层的构成了，下面可以探究一下USB协议层的结构。

 

三、USB协议层

3.1、Packet

下图是一个典型的USB Packet格式：

剥离掉物理层的东西（空闲状态、同步域、结束域），剩下的就是USB协议层的东西了，当然这个帧格式只是USB协议格式中的一种，物理层和协议层的对应关系如下图：

3.2、域

一个Packet包含多个域：标识域（PID）、地址域（ADDR）、端点域（ENDP）、帧号域（FRAM）、数据域（DATA）、校验域（CRC）。

1、标识域（PID），由四位标识符+四位标识符反码构成，表明包的类型和格式，这是一个很重要的部分，这里可以计算出，USB的标识码有16种：

2、地址域（ADDR）：七位地址，代表了设备在主机上的地址，地址000 0000被命名为零地址，是任何一个设备第一次连接到主机时，在被主机配置、枚举前的默认地址，由此可以知道为什么一个USB主机只能接127个设备的原因。

3、端点域（ENDP），四位，由此可知一个USB设备有的端点数量最大为16个。 

4、帧号域（FRAM），11位，每一个帧都有一个特定的帧号，帧号域最大容量0x800，对于同步传输有重要意义（同步传输为四种传输类型之一）。 

5、数据域（DATA）：长度为0~1023字节，在不同的传输类型中，数据域的长度各不相同，但必须为整数个字节的长度 

6、校验域（CRC）：对令牌包和数据包（对于包的分类请看下面）中非PID域进行校验的一种方法，CRC校验在通讯中应用很泛，是一种很好的校验方法，至于具体的校验方法这里就不多说，请查阅相关资料，只须注意CRC码的除法是模2运算，不同于10进制中的除法。

一个USB Packet通常包含多个上述的域，有的是必有的例如标识域（PID），有的可以没有，Packet的类型通过标识域（PID）来鉴别：

1、令牌包：可分为输入包、输出包、设置包和帧起始包（注意这里的输入包是用于设置输入命令的，输出包是用来设置输出命令的，而不是放据数的） 其中输入包、输出包和设置包的格式都是一样的： 
　　SYNC+PID+ADDR+ENDP+CRC5（五位的校验码） 
　　帧起始包的格式： 
　　SYNC+PID+11位FRAM+CRC5（五位的校验码） 

2、数据包：分为DATA0包和DATA1包，当USB发送数据的时候，当一次发送的数据长度大于相应端点的容量时，就需要把数据包分为好几个包，分批发送，DATA0包和DATA1包交替发送，即如果第一个数据包是 DATA0，那第二个数据包就是DATA1。但也有例外情况，在同步传输中（四类传输类型中之一），所有的数据包都是为DATA0，格式如下： 
　　SYNC+PID+0~1023字节+CRC16 

3、握手包：结构最为简单的包，格式如下 SYNC+PID 。

每包数据的最后都会有一个包结束符EOP（End-of-Packet），对于高速设备和全速/低速设备也是不一样的。全速/低速设备的EOF是一个大约为2个数据位宽度的单端0（SE0）信号。SE0的意思就是，D+和D-同时都保持为低电平。由于USB使用的是差分数据线，通常都是一高一低的，而SE0不同，是一种都为低的特殊状态。SE0用来表示一些特殊的意义，例如包结束、复位信号灯。USB集线器对USB设备进行复位的操作，就是通过将总线设置为SE0状态大约10ms来实现的。对于高速设备的EOF，使用故意的位填充错误来表示。那么如何判断一个位填充错误是真的位错误还是包结束呢？这个由CRC校验来判断。如果CRC校验正确，则说明这个位填充错误是EOP，否则，说明传输出错。

3.3、Transaction

USB协议中的最小传输单位 Packet 已经定义好了，但是USB的应用层不是直接使用 Packet 进行数据传输工作，USB应用层的传输是基于Transfer（传输）的，也就是想发送、接收数据都是基于Transfer，而一个Transfer是由若干个Transaction（事务）组成，而Transaction（事务）才是由多个Packet组成的，协议结构如下图：

我们先说说Transaction（事务）。事务分别有IN事务、OUT事务和SETUP事务三大事务，每一种事务都由令牌包、数据包、握手包三个阶段构成，这里用阶段的意思是因为这些包的发送是有一定的时间先后顺序的，事务的三个阶段如下： 
　　1、令牌包阶段：启动一个输入、输出或设置的事务 
　　2、数据包阶段：按输入、输出发送相应的数据 
　　3、握手包阶段：返回数据接收情况，在同步传输的IN和OUT事务中没有这个阶段，这是比较特殊的。 
事务的三种类型如下（以下按三个阶段来说明一个事务）： 
1、 IN事务： 
　　令牌包阶段——主机发送一个PID为IN的输入包给设备，通知设备要往主机发送数据； 
　　数据包阶段——设备根据情况会作出三种反应（要注意：数据包阶段也不总是传送数据的，根据传输情况还会提前进入握手包阶段）
　　　　1） 设备端点正常，设备往入主机里面发出数据包（DATA0与DATA1交替）； 
　　　　2） 设备正在忙，无法往主机发出数据包就发送NAK无效包，IN事务提前结束，到了下一个IN事务才继续； 
　　　　3） 相应设备端点被禁止，发送错误包STALL包，事务也就提前结束了，总线进入空闲状态。 
　　握手包阶段——主机正确接收到数据之后就会向设备发送ACK包。 
2、 OUT事务： 
　　令牌包阶段——主机发送一个PID为OUT的输出包给设备，通知设备要接收数据； 
　　数据包阶段——比较简单，就是主机会给设备送数据，DATA0与DATA1交替 
　　握手包阶段——设备根据情况会作出三种反应 
　　　　1）设备端点接收正确，设备往入主机返回ACK，通知主机可以发送新的数据，如果数据包发生了CRC校验错误，将不返回任何握手信息； 
　　　　2）设备正在忙，无法接收主机发出数据包就发送NAK无效包，通知主机再次发送数据； 
　　　　3）相应设备端点被禁止，发送错误包STALL包，事务提前结束，总线直接进入空闲状态。 
3、SETUT事务： 
　　令牌包阶段——主机发送一个PID为SETUP的输出包给设备，通知设备要接收数据； 
　　数据包阶段——比较简单，就是主机会设备送数据，注意，这里只有一个固定为8个字节的DATA0包，这8个字节的内容就是标准的USB设备请求命令（共有11条） 
　　握手包阶段——设备接收到主机的命令信息后，返回ACK，此后总线进入空闲状态，并准备下一个传输（在SETUP事务后通常是一个IN或OUT事务构成的传输）

3.4、Transfer

再说说Transfer（传输），传输由OUT、IN、SETUP事务构成，传输有四种类型，中断传输、批量传输、同步传输、控制传输，其中中断传输和批量转输的结构一样，同步传输有最简单的结构，而控制传输是最重要的也是最复杂的传输。 
　　1、中断传输：由OUT事务和IN事务构成，用于键盘、鼠标等HID设备的数据传输中 。
　　2、批量传输：由OUT事务和IN事务构成，用于大容量数据传输，没有固定的传输速率，也不占用带宽，当总线忙时，USB会优先进行其他类型的数据传输，而暂时停止批量转输。 
　　3、同步传输：由OUT事务和IN事务构成，有两个特殊地方，第一，在同步传输的IN和OUT事务中是没有返回包阶段的；第二，在数据包阶段所有的数据包都为DATA0 。
　　4、控制传输：最重要的也是最复杂的传输，控制传输由三个阶段构成（初始设置阶段、可选数据阶段、状态信息步骤），每一个阶段可以看成一个的传输，也就是说控制传输其实是由三个传输构成的，用来于USB设备初次加接到主机之后，主机通过控制传输来交换信息，设备地址和读取设备的描述符，使得主机识别设备，并安装相应的驱动程序，这是每一个USB开发者都要关心的问题。 
　　　　1)、初始设置步骤：就是一个由SETUP事务构成的传输; 
　　　　2)、可选数据步骤：就是一个由IN或OUT事务构成的传输，这个步骤是可选的，要看初始设置步骤有没有要求读/写数据（由SET事务的数据包阶段发送的标准请求命令决定）; 
　　　　3)、状态信息步骤：顾名思义，这个步骤就是要获取状态信息，由IN或OUT事务构成构成的传输，但是要注意这里的IN和OUT事务和之前的INT和OUT事务有两点不同： 
　　　　　　(1) 传输方向相反，通常IN表示设备往主机送数据，OUT表示主机往设备送数据；在这里，IN表示主机往设备送数据，而OUT表示设备往主机送数据，这是为了和可选数据步骤相结合； 
　　　　　　(2) 在这个步骤里，数据包阶段的数据包都是0长度的，即SYNC+PID+CRC16 

 

四、应用层

在Transfer（传输）之上就可以进行应用层的传输了。首先介绍一个概念叫做“描述符”，顾名思义，描述符就是描述事物的一道符！这道符不是写在纸上的，而是存在内存中的一个数据结构。用在USB设备中，描述符有很多种，包括：设备描述符、配置描述符、接口描述符、端点描述符、HID描述符。

设备描述符（Device Descriptor），用于描述USB设备，每个USB设备只有一个设备描述符，包含了设备类型、设备遵循的协议、厂商ID、产品id、***等，一个完整的设备描述符如下：

DEVICE DESCRIPTOR
    bLength: 18
    bDescriptorType: 0x01 (DEVICE)
    bcdUSB: 0x0200
    bDeviceClass: Vendor Specific (0xff)
    bDeviceSubClass: 255
    bDeviceProtocol: 255
    bMaxPacketSize0: 64
    idVendor: Marvell Semiconductor, Inc. (0x1286)
    idProduct: Unknown (0x812a)
    bcdDevice: 0x0000
    iManufacturer: 3
    iProduct: 2
    iSerialNumber: 0
    bNumConfigurations: 1

配置描述符（Configuration Descriptor），用于配置设备，一个USB设备可以拥有多个配置描述符，但是同一时间只能有一种配置生效，配置描述符如下：

CONFIGURATION DESCRIPTOR
    bLength: 9
    bDescriptorType: 0x02 (CONFIGURATION)
    wTotalLength: 121
    bNumInterfaces: 4
    bConfigurationValue: 1
    iConfiguration: 0
    Configuration bmAttributes: 0xc0  SELF-POWERED  NO REMOTE-WAKEUP
        1... .... = Must be 1: Must be 1 for USB 1.1 and higher
        .1.. .... = Self-Powered: This device is SELF-POWERED
        ..0. .... = Remote Wakeup: This device does NOT support remote wakeup
    bMaxPower: 250  (500mA)

接口描述符（Interface Descriptor），USB interface用来处理一类 USB 逻辑连接, 例如一个鼠标, 一个键盘, 或者一个音频流. 一些 USB 设备有多个接口。也就是复合设备，例如一个 USB 扬声器可能有 2 个接口: 一个 USB 键盘给按钮和一个 USB 音频流。一个接口描述符包含多个端点描述符。

INTERFACE DESCRIPTOR (2.0): class Vendor Specific
    bLength: 9
    bDescriptorType: 0x04 (INTERFACE)
    bInterfaceNumber: 2
    bAlternateSetting: 0
    bNumEndpoints: 2
    bInterfaceClass: Vendor Specific (0xff)
    bInterfaceSubClass: 0x00
    bInterfaceProtocol: 0x00
    iInterface: 8

端点描述符（Endpoint Descriptor），USB的通讯都是基于端点的，一个endpiont只能承载一个方向的数据。endpiont分为如下几种：

• CONTROL

控制端点被用来允许对 USB 设备的不同部分存取. 通常用作配置设备, 获取关于设备的信息, 发送命令到设备, 或者获取关于设备的状态报告. 这些端点在尺寸上常常较小. 每个 USB 设备有一个控制端点称为"端点 0", 被 USB 核用来在插入时配置设备. 这些传送由 USB 协议保证来总有足够的带宽使它到达设备.

• INTERRUPT

中断端点传送小量的数据, 以固定的速率在每次 USB 主请求设备数据时. 这些端点对 USB 键盘和鼠标来说是主要的传送方法. 它们还用来传送数据到 USB 设备来控制设备, 但通常不用来传送大量数据. 这些传送由 USB 协议保证来总有足够的带宽使它到达设备.

• BULK

块端点传送大量的数据. 这些端点常常比中断端点大(它们一次可持有更多的字符). 它们是普遍的, 对于需要传送不能有任何数据丢失的数据. 这些传送不被 USB 协议保证来一直使它在特定时间范围内完成. 如果总线上没有足够的空间来发送整个 BULK 报文, 它被分为多次传送到或者从设备. 这些端点普遍在打印机, 存储器, 和网络设备上.

• ISOCHRONOUS

同步端点也传送大量数据, 但是这个数据常常不被保证它完成. 这些端点用在可以处理数据丢失的设备中, 并且更多依赖于保持持续的数据流. 实时数据收集, 例如音频和视频设备, 一直都使用这些端点.