【STM32F429】第8章学习USB协议栈前要了解的基础知识

本章节为⼤家讲解USB基础知识点，学习USB前，⾮常有必要有个系统的认识。 8.1初学者重要提⽰ 8.2 USB历史 8.3 USB架构 8.4 USB硬件 8.5 USB电流 8.6 USB传输速度 8.7 USB通信（重要） 8.8 USB描述符 8.9 USB类 8.10 总结

8.1 初学者重要提⽰

USB1.1和USB2.0规格书以及Cypress做的中⽂版USB⽂档，⾮常推荐⼤家学习： USB初学 -- ⼊门篇 （USB基础知识速览） ⽂献参考：

8.2 USB历史

1994年，由七个公司组成的⼩组开始开发USB：Compaq，DEC，IBM，Intel，Microsoft，NEC和Nortel。⽬标是通过替换PC背⾯的众多连接器，解决现有接⼝的可⽤性问题以及简化所有连接到USB设备的软件配置，从根本上简化外部设备连接⾄PC，并且可以为外部设备提供更⾼的数据速率。 阿杰·巴特（Ajay Bhatt）和他的团队在英特尔制定该标准。第⼀批集成电路⽀持USB的产品由英特尔于1995年⽣产。最初的USB 1.0规范于1996年1⽉推出，它定义了1.5 Mbit / s 低速和12 Mbit / s全速的数据传输速率 。12 Mbit / s适⽤于打印机和软盘驱动器等⾼速设备，1.5 Mbit / s适⽤于键盘，⿏标和操纵杆等低数据速率设备。Microsoft Windows 95，OSR 2.1在1997年8⽉为设备提供了OEM⽀持。USB的第⼀个⼴泛使⽤的版本是1998年9⽉发布的1.1。苹果的iMac是第⼀个带有USB的主流产品，⽽iMac的成功推⼴了USB本⾝。在苹果公司决定从iMac上删除所有兼容端⼝之后，许多PC制造商开始构建兼容版PC，这导致使⽤USB成为PC市场标准。

USB 2.0规范于2000年4⽉发布，并在2001年底被USB-IF批准。惠普，英特尔，朗讯科技（现为诺基亚），NEC和飞利浦共同领导了该计划。开发更⾼的数据传输速率，从⽽使规范达到480 Mbit / s，是原始USB 1.1规范的40倍。

USB 3.0规范发布于2008年11⽉12⽇，其主要⽬标是提⾼数据传输速率（⾼达5 Gbit / s），减少电⼒消耗，提⾼输出功率，并且向后兼容USB 2.0。USB 3.0包括与USB 2.0总线类似的新型⾼速总线SuperSpeed。因此，新版本也称为SuperSpeed。⾸批配备USB 3.0的设备于2010年1⽉推出。截⽌到2008年，全球市场上⼤约有60亿个USB端⼝和接⼝，每年⼤约销售20亿个。

USB 3.1规范于2013年7⽉发布。2014年12⽉，USB-IF向IEC（TC100–⾳频，视频和多媒体系统和设备）提交了USB 3.1，USB PowerDelivery 2.0和USB-C规范，以纳⼊国际标准IEC 62680（通⽤串⾏总线接⼝，⽤于数据和电源），⽬前基于USB 2.0。USB 3.2规范于2017年9⽉发布。

USB4规范于2019年8⽉29⽇由USB-IF发布。

8.3 USB架构

系统中只能有⼀个主机，并且与设备进⾏的通信是从主机的⾓度进⾏的。主机是“上⾏” 组件，设备则是“下⾏” 组件，数据从主机转移到外设的操作是 OUT 传输。数据从外设转移到主机的操作是 IN 传输。主机（尤其是主控制器）控制着所有通信并向设备发出指令。共有三种常见的 USB 主控制器：

通⽤主控制器接⼝（UHCI）： 由 Intel ⽣产，适⽤于 USB 1.0 和 USB 1.1。使⽤ UHCI 时需要得到 Intel 的许可。该控制器⽀持低速模式和全速模式。

开放主控制器接⼝（OHCI）： 由 Compaq、 Microsoft 和 National Semiconductor ⽣产， 适⽤于 USB 1.0 和 1.1。该控制器⽀持低速模式和全速模式， 并且它的效率⽐ UHCI 更⾼， 因为可以执⾏更多硬件功能。

扩展型主控制器接⼝（EHCI）： 在 USB-IF 要求发布单⼀主控制器规范后，已经⽣产了该控制器，它适⽤于 USB2.0。 EHCI 仅⽀持⾼速传输，并且将低速和全速传输委托给 OHCI 或 UHCI 控制器执⾏。

可以将⼀个或多个设备连接⾄⼀个主机。每个设备均有⼀个地址，并且会对寻址它的主机指令做出响应。设备预计具有某种形式的功能，并不简单作为⼀个被动组件。设备具有⼀个上⾏端⼝。端⼝是设备上的 USB 物理连接点。集线器是⼀个专⽤设备，允许主机同总线上的多个外设进⾏通信。与 USB 外设（例如⿏标）具有实际功能不同，集线器设备是透明的，并且作为直通连接使⽤。集线器也作为主机和设备间的通道。集线器具有多个连接点，从⽽可以将多个设备连接到⼀个主机上。⼀个集线器可以将与下⾏设备进⾏的通信，重复使⽤到⼀个上⾏端⼝和最多七个下⾏端⼝。但集线器并没有主机功能。

通过使⽤集线器最多能够将 127 个设备连接⾄主控制器上。连接设备的数⽬由 USB 协议决定，它设备地址为 7 位。另外，由于集线器的时间和电缆传播的延迟，因此最多只能将五个集线器链接在⼀起。下图显⽰的是 USB 层次系统的框图，它表⽰集线器和设备的链接。⼤家可以看到，随着集线器的链接，层次系统也为七层。

USB设备分为以下⼏个类别：

Hubs

Hubs集线器（USB扩展设备）提供了附加的连接点，并从⽤户⾓度简化了USB连接。每个集线器将单个连接点转换为多个连接点，称为端⼝。

Functions

Functions为系统提供了发送或接收数据和控制信息的功能。每个功能都包含描述设备功能和资源要求的配置信息。

Composite Devices

复合设备是实现多种功能并包括嵌⼊式集线器的物理程序包。复合设备在主机上看起来像是带有⼀个或多个不可移动USB设备的集线器。复合设备⽀持不⽌⼀种类别，因此为主机提供了不⽌⼀种功能。

对于以主机为中⼼的开发，USB连接看起来像是星形⽹络。集线器不会引起任何编程复杂性，并且对程序员⽽⾔是透明的。⽆论是直接连接到根集线器还是通过中间集线器连接，USB设备的⼯作⽅式都相同。在该主/从⽹络中，所有USB设备都可⽤作可寻址节点。只有主机可以在⽹络中启动数据传输。

注意：

任何USB系统中仅存在⼀个主机。 在第7层中，只能启⽤功能。 符合设备占据两层。

8.4 USB硬件

市场是上USB连机器种类⾮常多，常⽤的如下：

Type A，Type B是四个引脚，对于的引脚定义如下：

Mini 和 Micro 连接器具有五个（⽽不是 4 个）引脚。额外引脚是 ID 引脚，⽤于识别 OTG 应⽤中的主机和设备，此引脚接地表⽰主机，未连接表⽰设备。

更多的USB接⼝如下：

8.5 USB电流

USB2.0和USB3.0⽀持的电压范围和最⼤电流如下：

注：BC1.2是Battery Charging (BC) 1.2，PD是Power Delivery。

8.6 USB传输速度

不同USB版本的速度如下：

8.7 USB通信（重要）

USB是轮询总线，USB主机发起所有数据交换。数据往返于USB设备中的端点。USB主机中的客户端将数据存储在缓冲区中，但没有端点。USB主机和外围USB设备具有不同的层，如下图所⽰。层之间的连接是每个层之间的设备接⼝。在连接之间，使⽤Pipes传输数据。

USB数据是由⼆进制数字串构成的，⾸先数字串构成域，域再构成包Packet（令牌包、数据包、握⼿包），包再构成事务

Transaction（IN、OUT、SETUP），事务再构成传输Transfer（中断传输、同步传输、批量传输和控制传输），传输最后再构成管道Pipe。下图可以形象的展⽰它们之间的关系：

8.7.1 管道（Pipes）

管道是主机与设备端点数据传输的连接通道，代表了主机的数据缓冲区与设备端点之间交换数据的能⼒。管道包括数据流管道和消息管道。

Message Pipes：消息管道具有定义的USB格式，并且受主机控制。消息管道允许数据双向流动，并且仅⽀持控制传输。

Stream Pipes：流管道没有定义的USB格式，可以由主机或设备控制。数据流具有预定义的⽅向，即IN或OUT。流管道⽀持中断传输，同步传输和批量传输。

将USB设备连接到USB总线并由USB主机配置后，⼤多数管道就存在了。管道源⾃主机客户端中的数据缓冲区，并在USB设备端点的内部终⽌。

8.7.2 传输（Transfers）

传输（数据流类型管道）可以包含⼀个或多个事务，管道⽀持以下传输类型之⼀：

控制传输通常⽤于设置USB设备。它们始终使⽤IN / OUT端点0。 中断传输可⽤于定期发送数据的地⽅，例如⽤于状态更新。

同步传输传输实时数据，例如⾳频和视频。它们具有固定带宽，但没有错误检测。 批量传输可⽤于时间不重要的数据发送，例如打印机。

8.7.3 控制传输（Control Transfers）

控制传输是双向传输，供主机使⽤，以便主机使⽤IN和OUT端点0向设备发送和从设备请求配置信息。每个控制转移包括两个及其事务。控制端点数据的最⼤数据包⼤⼩：

低速USB是8个字节。

全速USB是8，16，32或者字节。 ⾼速USB是字节。

通常，应⽤程序软件不使⽤这种类型的传输。控制传输的三个阶段：

1、SETUP阶段携带8个字节被称为设置包，定义请求，以及指定多少数据应在数据阶段被转移。

2、该数据阶段是可选的。如果存在，它将始终从包含DATA1数据包的事务开始。然后，事务类型在DATA0和DATA1之间交替，直到所有必需的数据都已传输。

3、STATUS阶段是含有零长度分组DATA1事务。如果DATA阶段为IN，则STATUS阶段为OUT，反之亦然。

8.7.4 中断传输（Interrrupt Transfers）

中断传输与设备之间的延迟有限。在USB中，中断传输或中断管道具有以下定义的轮询速率：

全速和低速分别为1ms和255ms。 ⾼速端点为125µs⾄4096ms。中断端点数据的最⼤包⼤⼩为：

全速USB最⼤字节。 ⾼速USB最⼤1024字节。

开发⼈员可以定义主机多久请求设备进⾏数据传输。例如，对于⿏标，可以保证每10 ms的数据传输速率。但是，定义轮询速率并不能保证每10毫秒传输⼀次数据，⽽是保证交易将发⽣在第⼗帧内的某个位置。因此，USB事务有⼀定的抖动。通常，中断传输数据由事件通知，字符和来⾃设备的坐标组成。

8.7.5 同步传输（Isochronous Transfers）

同步传输⽤于传输实时信息，例如⾳频和视频数据，并且必须以恒定的速率发送。为USB等时数据流分配了USB带宽的专⽤部分，确保按所需的速率传送数据。同步管道在每个帧中发送⼀个新的数据包，⽽不管最后⼀个包的成功或失败。

等时端点数据的最⼤数据包⼤⼩为：

全速最⼤1023字节。 ⾼速最⼤1024字节。

同步传输没有错误检测。电⽓传输中的任何错误均⽆法纠正。同步传输也受定时抖动的影响。

8.7.6 批量传输（Bulk Transfers）

批量传输⽤于控制，中断和同步传输以外的数据。使⽤错误检测可以在硬件级别上确保可靠的数据交换。

数据的传输⽅式与中断传输的⽅式相同，但是没有定义轮询速率。批量传输占⽤了其他传输完成后的所有可⽤带宽。如果总线⾮常繁忙，则批量传输可能会延迟。

批量端点数据的最⼤数据包⼤⼩为：

全速USB⽀持8、16、32或字节。 ⾼速USB⽀持512字节。

对于低速和全速端点，以下内容有效：如果总线空闲，则可以在单个1ms帧中进⾏多个批量传输（中断和同步传输为每帧最多⼀个数据包）。

例如，批量传输将数据发送到打印机。只要在合理的时间范围内打印数据，确切的传输速率就不重要。

8.7.7 事务（Transaction）

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：

令牌包（Token Packet）是定义事务类型，⽅向，设备地址和端点。 数据在数据包（Data Packet）中传输。

事务的最终状态在握⼿数据包（Handshake Packet）中确认。

在事务中，数据从USB主机传输到USB设备，反之亦然。传输⽅向在USB主机发送的令牌包中指定。然后，发送端发送⼀个数据包或指⽰它没有要传输的数据。通常，⽬的地以握⼿包作为响应，指⽰传输是否成功。

8.7.8 包（Packets）

每个数据包以当前传输速率传输整数个字节。数据包以同步模式开始，然后是数据包的数据字节，最后以数据包结束（EOP）信号结束。

所有USB数据包模式都⾸先发送最低有效位。在数据包之前和之后，总线处于空闲状态。

特殊的数据包是帧开始数据包（SOF），它将USB总线分为多个时间段。每个管道在每个帧中分配⼀个插槽。帧开始数据包在全速链路上每1ms发送⼀次。⾼速时，将1ms帧分为8个每帧125µs的微帧。在每个微帧的开头使⽤相同的帧号发送帧开始数据包。帧号每1ms增加⼀次。

8.7.9 域（field）

域是USB数据最⼩的单位，由若⼲位组成，域可分为七种类型：

同步域（SYNC），8位，值固定为0000 0001，⽤于本地时钟与输⼊同步，标志⼀个包的起始。

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，可以计算出USB的标识码有16种。

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，因此⼀个USB主机只能接127个设备。 端点域（ENDP），4位，由此可知⼀个USB设备有的端点数量最⼤为16个。

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，帧号连续增加，到0x7ff后从⾃动0开始，对于同步传输有重要意义。

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。

校验域（CRC）：对令牌包（CRC5）和数据包（CRC16）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。

8.7.10 端点（Endpoints）

端点，实际上是设备硬件上具有⼀定⼤⼩的数据缓冲区。USB系统中，每⼀个端点都有唯⼀的地址，是有设备地址和端点号给出的。默认设置端点0⽤作控制传输端点，其他端点必须在设备被主机配置后才能使⽤。

端点可以描述为数据源或接收器，并且仅存在于USB设备中。可以从USB主机接收或等待将其存储在端点上的数据。可以将端点配置为USB规范中定义的四种传输类型（控制传输，中断传输，同步传输和批量传输）。在硬件内，可以使⽤USB协议栈配置端点（例如，将端点为某种传输类型）。

端点充当⼀种缓冲区。例如，USB主机的客户端可以将数据发送到端点1。来⾃USB主机的数据将发送到OUT端点1。准备就绪后，微控制器上的程序将⽴即读取数据。由于程序⽆法⾃由访问USB总线（USB总线由USB主机控制），因此必须将返回数据写⼊IN端点1。IN端点1中的数据将保留在那⾥，直到主机向端点1发送⼀个IN数据包以请求数据为⽌。这些规则适⽤于所有微控制器设备：

⼀个设备最多可以有16个OUT和16个IN端点。 每个端点只能有⼀个传输⽅向。

端点 0仅⽤于控制传输，不能分配任何其他功能。 OUT始终是指从主机指向设备的⽅向。 IN始终指指向主机的⽅向。注意：

端点的总数和每个端点⽀持的功能由硬件定义。

8.8 USB描述符

USB设备使⽤描述符报告其属性，描述符是具有定义格式的数据结构。每个描述符开头字节是此描述符的字节数，之后是描述符类型字段。将USB设备连接到USB总线时，主机通过枚举来识别和配置设备。设备插⼊USB主机后，USB主机⽴即发送设置请求。系统将指⽰该设备选择配置和接⼝，以匹配USB主机上运⾏的应⽤程序。选择配置和接⼝后，设备必须为活动的端点提供服务，以此与USB主机交换数据。常⽤的描述符如下：

设备描述符。 配置描述符。 接⼝描述符。

⼀个或多个端点描述符。

具体各种描述符的定义，在后⾯章节为⼤家说明。

8.9 USB类

常⽤的USB类如下：

其中HID，CDC，Audio，MSC等类，将在后续章节详细说明。

8.10 总结

本章就为⼤家介绍这么多，涉及到的知识点⽐较多，需要⼤家看本章开头提供的参考⽂档地址来进⼀步的熟悉。