USB初学 -- 入门篇 （USB基础知识速览）

eric2013

很久以前从网上搜罗的资料，分享下

相关名词：

主机（Host）

设备（Device）

接口（Interface）

管道（Pipe）
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。
Such associations between the host software and a USB device endpoint are called pipes.

端点（Endpoint）
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。
An endpoint is a uniquely（唯一地） identifiable portion of a USB device that is the terminus of a communication flow between the host and device.

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问题一：USB的传输线结构是如何的呢？

答案一：一条USB的传输线分别由地线、电源线、D+、D-四条线构成，D+和D-是差分输入线，它使用的是3.3V的电压（注意哦，与CMOS的5V电平不同），而电源线和地线可向设备提供5V电压，最大电流为500MA（可以在编程中设置的，至于硬件的实现机制，就不要管它了）。

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问题二：数据是如何在USB传输线里面传送的

答案二：数据在USB线里传送是由低位到高位发送的。

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问题三：USB的编码方案？

答案三：USB采用不归零取反来传输数据，当传输线上的差分数据输入0时就取反，输入1时就保持原值，为了确保信号发送的准确性，当在USB总线上发送一个包时，传输设备就要进行位插入（即在数据流中每连续6个1后就插入一个0），从而强迫NRZI码发生变化。这个了解就行了，这些是由专门硬件处理的。

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问题四：USB数据通讯结构是怎么样的呢？

答案四：USB数据是由二进制数字串构成的，首先数字串构成域（七种），域再构成包（令牌包、数据包、握手包），包再构成事务（IN、OUT、SETUP），事务最后构成传输（中断传输、同步传输、批量传输和控制传输）。下面简单介绍一下域、包、事务、传输，请注意他们之间的关系。

（一）域：是USB数据最小的单位，由若干位组成，域可分为七种类型：

1、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。

2、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，具体分类请看问题五。

3、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。

4、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。

5、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。

6、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

7、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。


（二）包：由域构成的包有四种类型，分别是令牌包、数据包、握手包和特殊包，前面三种是重要的包，不同的包的域结构不同，介绍如下

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
帧起始包的格式：SYNC+PID+11位FRAM+CRC5

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：SYNC+PID+0~1023字节+CRC16

3、握手包：结构最为简单的包，格式：SYNC+PID


（三）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、SETUT事务：

令牌包阶段——主机发送一个PID为SETUP的设置包给设备，通知设备要接收数据；

数据包阶段——主机给设备发送数据，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。  

握手包阶段——设备-->主机，设备正确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）

整个过程为：
主机-->设备，SYNC+SETUP+ADDR+ENDP+CRC5
主机-->设备，SYNC+DATA0+8字节+CRC16
设备-->主机，SYNC+ACK/NAK/STALL

2、 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送数据（发送数据太长时拆分成多个IN事务，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。

整个过程为：
主机-->设备，SYNC+IN+ADDR+ENDP+CRC5
设备-->主机，SYNC+DATA1/0+(0~1023)字节+CRC16或SYNC+NAK/STALL
主机-->设备，SYNC+ACK

3、 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，就是主机给设备发送数据（发送数据太长时拆分成多个IN事务，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，无法往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。

整个过程为：
主机-->设备，SYNC+OUT+ADDR+ENDP+CRC5
主机-->设备，SYNC+DATA1/0+(0~1023)字节+CRC16
设备-->主机，SYNC+ACK/NAK/STALL


（四）传输：传输由OUT、IN、SETUP事务其中的事务构成，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事务中是没有握手包阶段的；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，设置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事务的数据包步骤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：

a.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；
b.在这个步骤，数据包阶段的数据包都是0长度的DATA1包，即SYNC+PID+CRC16


控制输入时：
1)初始设置步骤：
主机-->设备，SYNC+SETUP+ADDR+ENDP+CRC5
主机-->设备，SYNC+DATA0+8字节+CRC16
设备-->主机，SYNC+ACK/NAK/STALL
2)可选数据步骤：（数据较多时，此步骤可以分多次，此时DATA0/DATA1交替传送）
主机-->设备，SYNC+IN+ADDR+ENDP+CRC5
设备-->主机，SYNC+DATA1+n字节+CRC16或SYNC+NAK/STALL
主机-->设备，SYNC+ACK
3)状态信息步骤：
主机-->设备，SYNC+OUT+ADDR+ENDP+CRC5
主机-->设备，SYNC+DATA1+0字节+CRC16
设备-->主机，SYNC+ACK/NAK/STALL


控制输出时：
1)初始设置步骤：
主机-->设备，SYNC+SETUP+ADDR+ENDP+CRC5
主机-->设备，SYNC+DATA0+8字节+CRC16
设备-->主机，SYNC+ACK/NAK/STALL
2)可选数据步骤：（数据较多时，此步骤可以分多次，此时DATA0/DATA1交替传送）
主机-->设备，SYNC+OUT+ADDR+ENDP+CRC5
主机-->设备，SYNC+DATA1+n字节+CRC16
设备-->主机，SYNC+ACK/NAK/STALL
3)状态信息步骤：
主机-->设备，SYNC+IN+ADDR+ENDP+CRC5
设备-->主机，SYNC+DATA1+0字节+CRC16或SYNC+NAK/STALL
主机-->设备，SYNC+ACK

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问题五：标识码有哪些？

答案五：如同前面所说的标识码由四位数据组成，因此可以表示十六种标识码，在USB1.1规范里面，只用了十种标识码，USB2.0使用了十六种标识码，标识码的作用是用来说明包的属性的，标识码是和包联系在一起的，首先简单介绍一下数据包的类型，数据包分为令牌包、数据、握手包和特殊包四种（具体分类请看问题七），标识码分别有以下十六种：

令牌包 :

0x01  输出(OUT）启动一个方向为主机到设备的传输，并包含了设备地址和标号

0x09  输入 (IN) 启动一个方向为设备到主机的传输，并包含了设备地址和标号

0x05  帧起始（SOF）表示一个帧的开始，并且包含了相应的帧号

0x0d  设置（SETUP）启动一个控制传输，用于主机对设备的初始化

数据包 :

0x03  偶数据包（DATA0），

0x0b  奇数据包（DATA1）

握手包:

0x02  确认接收到无误的数据包（ACK）

0x0a  无效，接收（发送）端正在忙而无法接收（发送）信息

0x0e  错误，端点被禁止或不支持控制管道请求

特殊包 0x0C  前导，用于启动下行端口的低速设备的数据传输

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问题六：USB主机是如何识别USB设备的？

//添加，插入USB后，会进行一次复位操作。
答案六：当USB设备插上主机时，主机就通过一系列的动作来对设备进行枚举配置（配置是属于枚举的一个态，态表示暂时的状态），这这些态如下：

        1、接入态（Attached）：全/高速设备D+引脚外接1.5k上拉电阻，低速设备D-引脚外接1.5k上拉电阻，设备接入主机后，主机通过检测信号线上的电平变化来发现设备的接入，并获取设备速度；

        2、供电态（Powered）：就是给设备供电，分为设备接入时的默认供电值，配置阶段后的供电值（按数据中要求的最大值，可通过编程设置）

        3、缺省态（Default）：USB在被配置之前，通过缺省地址0与主机进行通信；

        4、地址态（Address）：经过了配置，USB设备被复位后，就可以按主机分配给它的唯一地址来与主机通信，这种状态就是地址态；

        5、配置态（Configured）：通过各种标准的USB请求命令来获取设备的各种信息，并对设备的某此信息进行改变或设置。

        6、挂起态（Suspended）：总线供电设备在3ms内没有总线动作，即USB总线处于空闲状态的话，该设备就要自动进入挂起状态，在进入挂起状态后，总的电流功耗不超过280UA。

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问题七：刚才在答案四提到的标准的USB设备请求命令究竟是什么？

答案七：标准的USB设备请求命令是用在控制传输中的“初始设置步骤”里的数据包阶段（即DATA0，由八个字节构成），请看回问答四的内容。标准USB设备请求命令共有11个，大小都是8个字节，具有相同的结构，由5个字段构成（字段是标准请求命令的数据部分），结构如下（括号中的数字表示字节数，首字母bm,b,w分别表示位图、字节，双字节）：

bmRequestType(1)+bRequest(1)+wvalue(2)+wIndex(2)+wLength(2)


各字段的意义如下：

1、bmRequestType：D7D6D5D4D3D2D1D0

D7=0主机到设备

=1设备到主机；

D6D5=00标准请求命令

     =01 类请求命令

     =10用户定义的命令      

=11保留值

D4D3D2D1D0=00000 接收者为设备

            =00001 接收者为接口

            =00010 接收者为端点

            =00011 接收者为其他接收者

            =其他  其他值保留

2、bRequest：请求命令代码，在标准的USB命令中，每一个命令都定义了编号，编号的值就为字段的值，编号与命令名称如下（要注意这里的命令代码要与其他字段结合使用，可以说命令代码是标准请求命令代码的核心，正是因为这些命令代码而决定了11个USB标准请求命令）：

0） 0  GET_STATUS：用来返回特定接收者的状态

1） 1  CLEAR_FEATURE：用来清除或禁止接收者的某些特性

2） 3  SET_FEATURE：用来启用或激活命令接收者的某些特性

3） 5  SET_ADDRESS：用来给设备分配地址

4） 6  GET_DEscriptOR：用于主机获取设备的特定描述符

5） 7  SET_DEscriptOR：修改设备中有关的描述符，或者增加新的描述符

6） 8  GET_CONFIGURATION：用于主机获取设备当前设备的配置值（注同上面的不同）   

7） 9  SET_CONFIGURATION：用于主机指示设备采用的要求的配置

8） 10  GET_INTERFACE：用于获取当前某个接口描述符编号

9） 11  SET_INTERFACE：用于主机要求设备用某个描述符来描述接口

10） 12 SYNCH_FRAME：用于设备设置和报告一个端点的同步帧

以上的11个命令要说得明白真的有一匹布那么长，请各位去看书吧，这里就不多说了，控制传输是USB的重心，而这11个命令是控制传输的重心，所以这11个命令是重中之重，这个搞明白了，USB就算是入门了。

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问题八：在标准的USB请求命令中，经常会看到Descriptor，这是什么来的呢？

回答八：Descriptor即描述符，是一个完整的数据结构，可以通过C语言等编程实现，并存储在USB设备中，用于描述一个USB设备的所有属性，USB主机是通过一系列命令来要求设备发送这些信息的。它的作用就是通过如问答节中的命令***作来给主机传递信息，从而让主机知道设备具有什么功能、属于哪一类设备、要占用多少带宽、使用哪类传输方式及数据量的大小，只有主机确定了这些信息之后，设备才能真正开始工作，所以描述符也是十分重要的部分，要好好掌握。标准的描述符有5种，USB为这些描述符定义了编号：

1——设备描述符，描述遵循USB版本号、设备类型等信息，一个USB设备只有一个设备描述符。

2——配置描述符，用于描述一个USB设备的属性和能力等配置信息，如接口总数、当前配置、供电方式、远程唤醒和须获取电流量等，一个USB设备可以有几种相对独立的配置。

3——字符描述符，可选。

4——接口描述符，描述一个接口的属性，如接口类型、使用了哪些非0端点等。一个配置可拥n个接口，每个接口有唯一编号。

5——端点描述符，描述非0端点的属性，包括输入/输出方向、端点号和端点容量。需注意的是端点描述符是作为配置描述符的一部分来返回给主机的，而不能直接通过控制传输中的Get_Descriptor或Set_Descriptor来访问。

上面的描述符之间有一定的关系，一个设备只有一个设备描述符，而一个设备描述符可以包含多个配置描述符，而一个配置描述符可以包含多个接口描述符，一个接口使用了几个端点，就有几个端点描述符。

morning_enr6U

王海靖

厉害了

Evan_Ji

厉害了

dacongzi

感谢硬汉哥

dacongzi

硬汉哥，有没有推荐的书籍？我最近在看别人翻译的usb2.0规范文档，感觉好枯燥，很多时候都看不懂

Power001

有个问题请教一下硬汉哥，STM32H7的使用USB虚拟串口CDC的时候，cubeide配置完工程后，usbd_cdc_if.c文件里面数组UserRxBufferHS的长度，可以由用户配置，但是USB栈协议规定一包数据最多64字节，那么这个数组长度是不是超过64的部分就没有用了呢？

eric2013

dacongzi 发表于 2021-11-25 16:59
硬汉哥，有没有推荐的书籍？我最近在看别人翻译的usb2.0规范文档，感觉好枯燥，很多时候都看不懂

不好意思，回复晚了，有的，此贴：
把Cypress的中文文档下载了、
http://www.armbbs.cn/forum.php?mod=viewthread&tid=90026

eric2013

Power001 发表于 2021-11-29 22:23
有个问题请教一下硬汉哥，STM32H7的使用USB虚拟串口CDC的时候，cubeide配置完工程后，usbd_cdc_if.c文件里 ...

USB2.0全速，这个不能改了。

2.0全速的批量传输，控制传输和中断传输都是最大64字节。

dacongzi

eric2013 发表于 2021-11-30 09:14
不好意思，回复晚了，有的，此贴：
把Cypress的中文文档下载了、
http://www.armbbs.cn/forum.php?mod= ...

谢谢硬汉哥，这个资料在你的论坛里已经找到并且下载了，正在学习

流型

好文，厉害！

DAPLINK的USB Vendor ID是0x0D28，十进制3368，反查《Valid USB Vendor ID Numbers》，是ARM公司

Hacker

兄弟们，遇到这个报错咋解决 Error #603: 'Keil.MDK-Plus::USB:COREebug:6.16.0': component requires valid MDK-ARM Plus or MDK-ARM Professional license

eric2013

Hacker 发表于 2022-11-2 10:24
兄弟们，遇到这个报错咋解决 Error #603: 'Keil.MDK-Plus::USB:COREebug:6.16.0': component requires va ...

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