USB协议（一）

2017-06-07 本文已影响708人 kevin_007

内容原创，未经本人同意请勿转载。联系本人：jianshu_kevin@126.com

初次接触USB的同学，可能会被里面各种名词给搞晕，没关系我们下面就来梳理一下这些知识，希望能帮助大家理解USB。

一，从最常见的名词说起

1.1 什么是USB

这个我就不多解释了，直译就是通用串行总线。再不明白的就百度。

1.2 USB协议版本

USB 1.0/1.1(low/full speed)，传输速率最大为12Mbps
USB 2.0(high speed)，传输速率最大480Mbps
USB 3.0(super speed)，传输速率最大5Gbps

协议版本向下兼容

1.3 USB接口分类

Type A，即使我们电脑上的那种接口。
Type B，不太常见，比较方正的T型接口，有的嵌入式开发板会用。
Type C，现在开始流行起来了，最大的好处就是可以盲插，而不用区分正反。
Micro/mini，手机上比较常见。

不管哪种接口，用的线都是4根，只是形状不同而已。

二. 协议相关的名词解析

2.1 描述符(description)

谈到USB描述符，不得不说USB最强悍的地方就在这里。一个口可以插很多的设备，可以插U盘、上网卡、音频设备、还有的是复合设备，一个设备插上后可以虚拟出多个设备出来，太强了。
主设备之所以能区分不同的从设备，靠的就是描述符。 于是USB协议里就规定了各种不同的USB描述符。让我们先看一下USB协议里四大描述符之间的关系

+------设备描述符
        +----------配置描述符1
            +----------接口描述符1
                +----------端点描述符1
                +----------端点描述符2
                +....
            +----------接口描述符2
                +----------端点描述符1
                +....
            +....
        +----------配置描述符2
            +----------接口描述符1
                +----------端点描述符1
                +----------端点描述符2
                +....
            +....
        +....

2.1.1 设备描述(device description)

故名思意用来描述USB设备的，一个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、序列号等，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

2.1.2 配置描述符(configrue description)

配置描述就是用来配置设备的，没错，就是这么简单。但是要记住一点：一个设备同一时刻只能有一种配置生效，而且要区分配置和设置的区别。还是来看一下配置描述符的内容

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)

设置是什么，暂时不多解释，后面再谈。

2.1.3 接口描述符(interface description)

一个interface就代表一个设备。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。

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

**一个interface包含多个endpoint

2.1.4 端点描述符(endpoint description)

USB通信的基本物理单位，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.

BULK端点描述符数据内容如下：

ENDPOINT DESCRIPTOR
    bLength: 7
    bDescriptorType: 0x05 (ENDPOINT)
    bEndpointAddress: 0x86  IN  Endpoint:6
        1... .... = Direction: IN Endpoint
        .... 0110 = Endpoint Number: 0x6
    bmAttributes: 0x02
        .... ..10 = Transfertype: Bulk-Transfer (0x2)
    wMaxPacketSize: 512
        .... ..10 0000 0000 = Maximum Packet Size: 512
    bInterval: 0

2.2 class

class用来描述设备属于哪种设备，例如音频、键盘、U盘等。设备通过class来确认和加载相应的驱动。class分为device class 和interface class。具体的class值以及含义，参考define class。

class 包含
1. class
1. subclass
1. protocol

组合在一起，用来指出设备具体功能。

device class举例

DEVICE DESCRIPTOR
    bLength: 18
    bDescriptorType: 0x01 (DEVICE)
    bcdUSB: 0x0200
    bDeviceClass: Miscellaneous (0xef)
    bDeviceSubClass: 2
    bDeviceProtocol: 1 (Interface Association Descriptor)
    bMaxPacketSize0: 64
    idVendor: Marvell Semiconductor, Inc. (0x1286)
    idProduct: Unknown (0x4e31)
    bcdDevice: 0x0100
    iManufacturer: 1
    iProduct: 2
    iSerialNumber: 3
    bNumConfigurations: 1

interface class举例

INTERFACE DESCRIPTOR (1.0): class CDC-Data
    bLength: 9
    bDescriptorType: 0x04 (INTERFACE)
    bInterfaceNumber: 1
    bAlternateSetting: 0
    bNumEndpoints: 2
    bInterfaceClass: CDC-Data (0x0a)
    bInterfaceSubClass: 0x00
    bInterfaceProtocol: No class specific protocol required (0x00)
    iInterface: 5