最近学习了usb相关知识，一直摸不着头脑，看了《linux那些事儿之我是usb》，对usb协议不熟悉，没能继续读下去。 读了《sqdxf教你玩usb》这本书，很快就提起了自己的兴趣。 愤怒的鞋垫sqdxf在51单片机上实现了usb鼠标键盘等设备，非常佩服。 51单片机自己还很熟悉，在大学里玩了四年单片机。 单片机实现后很快就变得亲切了。 我决定先从单片机开始学习。 之后，看到linux的事我是usb。 深入学习linux内核下的usb。 以下介绍usb协议。 内容从usb spec、网络和sqdxf的书开始整理。 本文也大量引用了STM32官方的USB2.0协议文档。 欢迎批评。 另外，学习《sqdxf教你玩usb》用手调试实现了单片机的usb鼠标功能。 源代码为https://github.com/lisong ze 2016/MCU _ project/tree/master/USB，源代码中有linux kernel ch9.h用于描述符
通用串行总线(USB )是一条完整的通用串行总线，USB是为了满足即插即用的需要而诞生的，并支持热插拔。 USB协议的版本有USB1.0、USB1.1、USB2.0、USB3.1等，USB2.0目前比较常用，以下以2.0为中心进行介绍。 USB是主从模式结构，因此设备和设备之间、主机和主机之间不能互连。 为了解决这个问题，扩大了USB的应用范围，出现了USB OTG、ON The Go。 USB OTG是同一设备，可以根据情况在主机和从机之间切换。
1.1 USB的特点：
USB1.0和USB1.1支持1.5Mb/s的低速模式和12Mb/bs的全速模式。 USB2.0以上支持480Mb/s的高速模式。 适用于：
1.2 USB设备供电方式：
USB设备有两种供电方式
自供电设备：设备从外部电源获取工作电压
公交供电设备：设备取自vbus(5v )供电
关于总线供电设备，区分低功耗和高功耗的USB设备
低功耗总线供电设备：最大功耗不超过100mA
高功耗总线供电设备：列举时最大功耗为100mA以下，列举完成构成后的功耗为500mA以下
在设备枚举期间，通过设备的配置描述符向主机报告其电源配置(自供电/总线供电)及其功耗要求
以下USB构成描述符(以Joystick为例)，后面具体说明。
1.3 USB总线信号：
USB使用差动传输模式，两条数据线d和D-
差动信号1:dvoh(min ) ) 2.8V (且d-vol (max ) ) 0.3V ) )。
差动信号0:D- VOH and D VOL
j状态(pgfh ) d高，D-低
k状态(低电平) d低，D-高
SEO状态： d低，d高
Reset信号： D and D- VOL for=10ms
主机在与设备通信之前发送Reset信号，将设备设置为默认的未配置状态。 也就是说，主体拉下两条信号线(SE0状态) ) ) )。
维持10ms
Idle状态：发送接收j状态数据前后的总线状态
Suspend状态：3ms以上的j状态
SYNC: 3 :在三个KJ状态之间切换的情况下，在2位时间的k状态之后的()可见波形变化是在总线上发送0000 0001进行NRZI编码的波形() ) ) ) ) ) )。
Resume信号： 20ms的k状态低速EOP
主机挂起设备后，可以通过反转数据线的极性并保持20ms来启动设备，并以低速EOP信号退出
带远程唤醒功能的设备还可以自己启动唤醒信号。 假设设备至少进入5msidle状态后，发出唤醒k信号，保持1ms到15ms，主机在1ms内交接，并继续驱动唤醒信号
sop :从空闲状态切换到k状态
eop :持续2比特时间的SE0信号，然后遵循1比特时间的j状态
Keep alive即低速EOP信号
1.4 USB插入检测和速度检测：
主机检测设备在d或D-上的1.5K拉动下的连接和断开事件，以确定设备的速度
主机首先将高速设备检测为全速设备，然后通过“Chirp序列”总线处理机制识别高速设备和全速设备
USB连接和断开：
设备已连接到主机(连接) ) ) ) )。
如果主机检测到某条数据线的电平上升，并保持一段时间，则认为设备已连接
主机在驱动SE0状态重置设备之前，必须立即对总线状态进行采样以确定设备的速度
如果设备未连接到主机(断开连接)。
D-数据线和D-数据线的下拉电阻起作用，两者都成为低电平； 主机端似乎处于SE0状态，同样，如果数据线上的SE0状态持续一段时间，主机将识别为断开连接状态
1.5数据代码和位填充
USB用NRZI (非零编码)编码发送的分组
输入数据0，编码为“电平反转”
输入数据1，
编码成“电平不变”编码出来的序列，pgfh：J状态；低电平：K状态
位填充是为了保证发送的数据序列中有足够多的电平变化
填充的对象是（输入数据），即先填充再编码
数据流中每6个连续的“1”，就要插入1个“0”，从而保证编码
数据出现电平变化
接收方赋值解码NRZI码流，然后识别出填充位，并丢弃它们
2. USB传输
一个传输有多个事务组成，一个事务由2/3个包组成。
传输又分为四种类型：批量传输、等时(同步)传输、中断传输、控制传输。
注意：USB传输数据先发数据低位再发高位数据
2.1 包
包的组成：
包的内容：
Packet分四大类： 命令 (Token) 、Packet 帧首 (Start of Frame) 、Packet 数据 (Data) 、Packet 握手 (Handshake) Packet
不同类型包，以上的组成部件有所不同
PID：
这里只用（PID0~4）,PID4~7是PID0~4的取反，用来校验PID
PID1~0：01 令牌包、11 数据包、10 握手包、00 特殊包
地址：
帧号：
数据:
CRC:
四种Packet类型之令牌包(Token Packet):
令牌包用来启动一次USB传输。
输出（OUT）令牌包：用来通知设备将要输出一个数据包
输入（IN）令牌包：用来通知设备返回一个数据包
建立（SETUP）令牌包：只用在控制传输中，和输出令牌包作用一样，也是通知设备将要输出一个数据包，两者区别在于:
SETUP令牌包后只使用DATA0数据包，且只能发送到设备的控制端点，并且设备必须要接收，而OUT令牌包没有这些限制
例子：
四种Packet类型之SOF Packet
帧起始包：在每帧（或微帧）开始时发送，以广播的形式发送，所有USB全速设备和高速设备都可以接收到SOF包。
例子：
0xA5：1010 0101：对应上面PID表可知是帧起始包
四种Packet类型之Data Packet
例子：
四种Packet类型之Handshake Packet
例子：
2.2 事务
Transaction可以分成三类
Setup transaction：主机用来向设备发送控制命令
Data IN transaction：主机用来从设备读取数据
Data OUT transaction：主机用来向设备发送数据
Transaction的packet组成
Token packet：总是由主机发出
Data packet：包含此次transaction的数据负载
可选的Handshake packet
例子：
2.3 传输
USB协议定义了四种传输类型：
批量(大容量数据)传输(Bulk Transfers): 非周期性，突发
大容量数据的通信，数据可以占用任意带宽，并容忍延迟 。如USB打印机、扫描仪、大容量储存设备等
中断传输(Interrupt Transfers): 周期性，低频率
允许有限延迟的通信 如人机接口设备（HID）中的鼠标、键盘、轨迹球等
等时(同步)传输(Isochronous Transfers): 周期性
持续性的传输，用于传输与时效相关的信息，并且在数据中保存时间戳的信息 ,如音频视频设备
控制传输(Control Transfers): 非周期性，突发
用于命令和状态的传输
2.3.1 批量传输
批量输出事务，(1)主机先发出一个OUT令牌包（包含设备地址，端点号），(2)然后再发送一个DATA包，这时地址和端点匹配的设备就会收下这个数据包，主机切换到接收模式，等待设备返回握手包，（3）设备解码令牌包，数据包都准确无误，并且有足够的缓冲区来保存数据后就会使用ACK/NYET握手包来应答主机（只有高速模式才有NYET握手包，他表示本次数据成功接收，但是没有能力接收下一次传输），如果没有足够的缓冲区来保存数据，就返回NAC，告诉主机目前没有缓冲区可用，主机会在稍后时间重新该批量传输事务。如果设备检查到数据正确，但端点处于挂起状态，返回STALL。如果检测到有错误（如校验错误，位填充错误），则不做任何响应，让主机等待超时。
批量输入事务，(1)主机首先发送一个IN令牌包（包含设备地址，端点号），（2）主机切换到接收数据状态等待设备返回数据。如果设备检测到错误，不做任何响应，主机等待超时。如果此时有地址和端点匹配的设备，并且没有检测到错误，则该设备作出反应：设备有数据需要返回，就将一个数据包放在总线上；如果没有数据需要返回，设备返回NAK响应主机；如果该端点处于挂起状态，设备返回STALL。如果主机收到设备发送的数据包并解码正确后，使用ACK握手包应答设备。如果主机检测到错误，则不做任何响应，设备会检测到超时。注意：USB协议规定，不允许主机使用NAK来拒绝接收数据包。主机收到NAK，知道设备暂时没有数据返回，主机会在稍后时间重新该批量输入事务。
PING令牌包，它不发送数据，直到等待设备的握手包。
2.3.2 中断传输
中断传输是一种保证查询频率的传输。中断端点在端点描述符中要报告它的查询间隔，主机会保证在小于
这个时间间隔的范围内安排一次传输。
2.3.3 等时传输
等时（同步）传输用在数据量大、对实时性要求高的场合，如音频设备，视频设备等，这些设备对数据的延迟很敏感。对于音频或视频设备数据的100%正确性要求不高，少量的数据错误是可以容忍的，主要是保证数据不能停顿，所以等时传输是不保证数据100%正确的。当数据错误时，不再重传操作。因此等时传输没有应答包，数据是否正确，由数据的CRC校验来确认。
2.3.4 控制传输
控制传输可分为三个过程：（1）建立过程 （2）数据过程（可选） （3）状态过程
特性:
每个USB设备都必须有控制端点，支持控制传输来进行命令和状态的传输。USB主机驱动将通过控制传输与USB设备的控制端点通信，完成USB设备的枚举和配置
方向:
控制传输是双向的传输，必须有IN和OUT两个方向上的特定端点号的控制端点来完成两个方向上的控制传输
数据的拆分和数据传输完毕的判定
以高速设备的最大数据包长度64字节为例
要传输250字节，拆分成4个packet
要传输正好256字节，通过最后一个0字节包告诉设备传输完成
各种传输特性比较
3. USB标准请求
3.1 USB标准请求的数据结构
3.2 USB 设备枚举及描述符介绍
当一个USB设备插入主机后，会有以下活动:
include/uapi/linux/usb/ch9.h/* USB_DT_DEVICE: Device descriptor */struct usb_device_descriptor { __u8 bLength; __u8 bDescriptorType; __le16 bcdUSB; __u8 bDeviceClass; __u8 bDeviceSubClass; __u8 bDeviceProtocol; __u8 bMaxPacketSize0; __le16 idVendor; __le16 idProduct; __le16 bcdDevice; __u8 iManufacturer; __u8 iProduct; __u8 iSerialNumber; __u8 bNumConfigurations;} __attribute__ ((packed));#define USB_DT_DEVICE_SIZE 18
struct usb_config_descriptor { __u8 bLength; __u8 bDescriptorType; __le16 wTotalLength; __u8 bNumInterfaces; __u8 bConfigurationValue; __u8 iConfiguration; __u8 bmAttributes; __u8 bMaxPower;} __attribute__ ((packed));#define USB_DT_CONFIG_SIZE 9
/* USB_DT_INTERFACE: Interface descriptor */struct usb_interface_descriptor { __u8 bLength; __u8 bDescriptorType; __u8 bInterfaceNumber; __u8 bAlternateSetting; __u8 bNumEndpoints; __u8 bInterfaceClass; __u8 bInterfaceSubClass; __u8 bInterfaceProtocol; __u8 iInterface;} __attribute__ ((packed));#define USB_DT_INTERFACE_SIZE 9
/* USB_DT_ENDPOINT: Endpoint descriptor */struct usb_endpoint_descriptor { __u8 bLength; __u8 bDescriptorType; __u8 bEndpointAddress; __u8 bmAttributes; __le16 wMaxPacketSize; __u8 bInterval; /* NOTE: these two are _only_ in audio endpoints. */ /* use USB_DT_ENDPOINT*_SIZE in bLength, not sizeof. */ __u8 bRefresh; __u8 bSynchAddress;} __attribute__ ((packed));#define USB_DT_ENDPOINT_SIZE 7#define USB_DT_ENDPOINT_AUDIO_SIZE 9 /* Audio extension */
/* USB_DT_STRING: String descriptor */struct usb_string_descriptor { __u8 bLength; __u8 bDescriptorType; __le16 wData[1]; /* UTF-16LE encoded */} __attribute__ ((packed));/* note that "string" zero is special, it holds language codes that * the device supports, not Unicode characters. */