USB通信协议在嵌入式产品开发中非常普遍，常用于主机与各种外设间进行数据传输的标准协议。它具有高速、通用、即插即用等特点，使得我们可以方便地连接各种设备，如鼠标、键盘、打印机、存储设备等，但其开发中涉及到的相关知识和通信协议却比较复杂。以下为学习过程中作的简单笔记，共分为USB基础篇、linux系统中USB数据结构篇和USB协议分析篇。本文先介绍下USB的一些基础知识。

本文内容索引如下：

1.USB设备基本概念简介

2.USB2.0和USB3.0接口定义

3.USB设备插拔时硬件识别过程

4.USB 设备工作状态转换

5. USB设备枚举交互过程

1.USB设备基本概念简介：

1）USB主从关系：

USB是一种主从结构的系统。主机叫做Host，从机叫做Device，所有的USB传输，都是从USB主机这方发起；USB设备没有“主动”通知USB主机的能力。

主机具有一个或者多个USB主控制器（host controller）和根集线器（root hub）。主控制器主要负责数据处理，而跟集线器则提供一个连接主控制器与设备之间的接口和通路。

通常情况下，一个主机上有多个USB控制器和多个USB口，一个USB控制器下有一根集线器，一根集线器通常具有一个或者几个USB接口。通常集线器可以通过USB集线器来扩展USB接口，只是带宽是固定的，不能够拓宽，因为带宽是共享一个USB主控器的。

2）USB拓扑结构：

USB的拓扑结构看起来是一个金字塔形的结构，具体构成如下：

塔顶是USB的主控器和根集线器，下面接USB集线器，USB集线器将一个USB口扩展为多个USB口，多个USB口同样可以通过USB集线器扩展出更多的接口。不过USB口并不能通过USB集线器无止境的扩展，他是有限制的，例如在USB2.0规定它最多扩展6次。

理论上一个USB主控器最多可接127个设备，这是因为协议规定每个USB设备具有一个7bit地址(取值范围为0~127，地址用于给主机识别是哪个设备，其中0地址值得注意，是给刚接入未初始化的设备使用的)。

设备标示号：在主机操作系统确定对设备使用的驱动程序后，设备会被分配唯一的标识地址，范围从０-127；其中0地址为所有设备在没有分配唯一地址时使用的默认地址；　

3）USB设备架构

USB设备是由一些配置、接口和端点构成的。其中配置和接口是USB功能的抽象，实际的数据传输由端点来完成。其对应关系如下图所示：

a.设备: 设备代表USB设备，它由一个或多个配置组成。设备描述符用于说明设备的总体信息，并指出其所包含配置的个数。

b.配置：在使用USB设备前，必须为其选择一个合适的配置。如USB设备的低功耗模式和高功耗模式分别对应一个配置。配置描述符用于说明USB设备中各个配置的特性。

c.接口: 一个配置可以包含一个或多个接口。接口是一个端点的集合。接口描述符用于说明USB设备中各个接口的特性。

d.端点: 端点是USB设备中的实际物理单元，USB数据传输就是在主机和USB设备各个端点之间进行的。

l 在USB 系统中每一个端点都有唯一的地址，这是由设备地址和端点号给出的。

l 每个端点都有一定的属性，其中包括传输方式、总线访问频率、带宽、端点号和数据包的最大容量等。

l 每个端点都有个端点号，除了端点0外，每一个端点只能工作在一种传输类型（控制传输、中断传输、批量传输、实时传输）下，一个传输方向，即从主机到设备（称为输出端点），或者从设备到主机（称为输入端点），因此端点可看作一个单向的管道。

l 端点0 通常为控制端点，用于设备初始化参数等。端点0是设备的默认控制端点，既能输出也能输入，主要用于USB设备的识别过程。只要设备连接到USB 上并且上电端点0 就可以被访问。

e. 管道: 是主机软件(数据缓冲区)和USB设备的各个端点之间的数据传输链接，它是两者之间通信流的抽象。然而，实际的数据传输是由USB总线接口层来完成的。管道和USB设备中的端点一一对应，并且各个管道的数据传输是相互独立的。

管道有两种类型：流管道和消息管道。其中最为重要的消息管道是“缺省控制管道”，这个管道在设备开始上电后就存在了，它用于提供设备的配置与状态等信息。主机与设备之间的联络就是通过消息管道实现的。

4）USB主机协议类型：

USB主机控制器分为4种接口：

--- OHCI（Open Host Controller Inerface）：微软主导的低速USB1.0（1.5Mbps）和全速USB1.1（12Mbps），OHCI接口的硬件简单，软件复杂。

--- UHCI（Universal Host Controller Interface）：Intel主导的低速USB1.0（1.5Mbps）和全速USB1.1（12Mbps），而UHCI接口的软件简单，硬件复杂。

--- EHCI（Enhace Host Controller Interface）：高速USB2.0（480Mbps）。

--- xHCI（eXtensible Host Controller Interface）：USB3.0（5.0Gbps），采用了9针脚设针，同时也支持USB2.0、1.1等。

5). USB设备的传输类型：

--- 控制传输； -------无线Wi-Fi网卡等；

三个阶段：设置阶段（SETUP），数据传输(IN和OUT）和 状态阶段（表示整个传输过程已经结束）

--- 中断传输；------ 鼠标和键盘；

--- 及时传输； ------麦克风和喇叭；

--- 批量传输 ------ 打印机和存储设备；

6）常见的USB设备类别

--- 存储类设备（Mass Storage）：如USB闪存驱动器、外部硬盘等。

--- 输入设备（HID）：如键盘、鼠标、游戏手柄等。

--- 音频设备：如USB音响、麦克风等。

--- 视频设备：如USB摄像头等。

--- 网络设备，如：无线网卡等；

2.USB2.0和USB3.0接口定义：

1） usb引脚定义

a.USB2.0：

b.USB3.0:

USB3.0的接口比USB2.0多了5根线，这5根线分别是SSGND、SSRX+/-和SSTX+/-，即屏蔽地、发送差分对和接收差分对。

2）两端的连接顺序：

a.USB2.0：

b.USB3.0:

3）物理标识：

a.USB2.0：

b.USB3.0:

目前随着技术的高速发展，很多的笔记本电脑USB接口，开始同时提供对USB2.0及USB3.0提供支持，这个时候可以通过接口颜色来区别。

3.USB设备插拔时硬件识别过程：

1) 全速和低速USB设备：

--- 根据规范，全速和低速通过设备端的上拉电阻进行区分。当设备插入HUB或上电时，有上拉电阻的那根数据线就会被拉高，HUB根据D+/D-的电平判断所挂载的是全速设备还是低速设备。

---具体硬件做的处理如下：

主控端D+、D-接有15k下拉电阻，Usb设备的D-端和5v之间接有一个1.5k电阻，当插入主控端USB接口时，5v有电压了，就会拉高D-引脚，电脑就知道有设备接入。

---D-和5v之间有一个1.5k电阻代表的是低速设备；D+和5v之间有一个1.5k电阻代表的是一个全速设备。

a. 低速设备(usb1.0)：

b. 全速设备（usb1.x）：

2) 高速USB2.0设备：

高速设备usb2.0设备的识别过程比低速和全速设备要复杂一些。

---高速设备初始时和全速设备一样，D+线上有一个1.5k的上拉电阻。USB2.0的hub把它当作一个全速设备， 接下来hub和设备间会通过一系列握手信号确认双方的身份。

---在这里对速度的检测是双向的，比如高速的hub需要检测所挂上来的设备是高速、全速还是低速，高速的设备需要检测所连上的hub是USB2.0的还是1.x的，如果是前者，就进行一系列动作切到高速模式工作，如果是后者，就以全速模式工作。

---以下为高速USB2.0设备的协商过程：

a. hub检测到有设备插入时，向主机通报，主机发送Set_Port_Feature请求让hub复位新插入的设备。设备复位操作是hub通过驱动数据线到复位状态SE0(Single-ended 0，即D+和D-全为低电平)，并持续至少10ms。

b. 高速设备看到复位信号后，通过内部的电流源向D-线持续灌大小为17.78mA电流。因为此时高速设备的1.5k上拉电阻还未撤销，在hub端，全速/低速驱动器形成一个阻抗为45欧姆(Ohm)的终端电阻，2电阻并联后仍是45欧姆左右的阻抗，所以在hub端看到一个约800mV的电压（45欧姆*17.78mA），这就是Chirp K信号。Chirp K信号的持续时间是1ms~7ms。

c. 在hub端，虽然下达了复位信号，并一直驱动着SE0，但USB2.0的高速接收器一直在检测Chirp K信号，如果没有Chirp K信号看到，就继续复位操作,直到复位结束，之后就在全速模式下操作。如果只是一个全速的hub，不支持高速操作，那么该hub不理会设备发送的Chirp K信号，之后设备也不会切换到高速模式。

d. 设备发送的Chirp K信号结束后100us内，hub必须开始回复一连串的KJKJKJ….序列，向设备表明这是一个USB2.0的hub。这里的KJ序列是连续的，中间不能间断，而且每个K或J的持续时间在40us60us之间。KJ序列停止后的100500us内结束复位操作。hub发送Chirp KJ序列的方式和设备一样，通过电流源向差分数据线交替灌17.78mA的电流实现。

e. 再回到设备端来。设备检测到6个hub发出的Chirp信号后（3对KJ序列），它必须在500us内切换到高速模式。切换动作有：

1） 断开1.5k的上拉电阻；

2） 连接D+/D-上的高速终端电阻，即全速/低速差分驱动器；

3） 进入默认的高速状态；

f. 执行1，2两步后，USB信号线就发生如下的变化：hub发送出来的Chirp KJ序列幅值降到了原先的一半，400mV。这是因为设备端挂载新的终端电阻后，配上原先hub端的终端电阻，并联后的阻抗是22.5欧姆。400mV就是由17.78mA*22.5Ohm得来。以后高速操作的信号幅值就是400mV而不像全速/低速那样的3V。

g. 至此，高速设备与USB2.0 hub握手完毕，进行后续的480Mbps高速信号通信。

3） 超高速USB3.0设备：

a. USB主机和设备通过电缆连接后，会在USB主机和设备端的接收线上产生一个等效下拉电阻R_Term（其范围在18~30Ω，由SSRX+/-上各一个50Ω的等效下拉电阻并联而成）

b. 设备连接前的充放电时间常数T=R_Detect*C_Parasitic

c. 设备连接后的充放电时间常数T=（R_Detect+R_Term）*（C_AC+C_Parasitic）

d. 显然，接入设备后，充放电时间常数会大大增大，根据充放电时间就可以判断有无设备插入。

e. 另外，接入R_term，会对R_Detect产生分压的左右，电压会下降。

f. USB3.0协议规定，下行端口需要每隔100ms打一次Rx Detect，来检测Deivce在不在。

4) Linux系统下如何识别USB接口的工作模式和速率？

a. 方法1：

$ lsusb –t

对照 USB 速率表：

b. 方法2：通过读写文件的方式来测试；

(1) . 找一个U盘设备插入系统后，先确认USB设备挂载路径： fdisk –l;

在输出中找到类似于“/dev/sdb1”的设备路径，这是USB存储设备的挂载路径。

(2) 创建一个测试文件：

使用以下命令来创建一个测试文件

dd if=/dev/zero of=/tmp/testfile bs=1M count=1024

此命令中，“/tmp/testfile”是我们将要测试的文件名，大小为1GB。可以根据需要更改文件大小。

(3) 测试读/写速度：

分别使用以下命令来测试读/写速度

dd if=/dev/sdb1 of=/dev/null bs=1M count=1024

#此命令会从USB存储设备中读取1GB数据到null设备中，输出中会显示读取速度。

dd if=/dev/zero of=/dev/sdb1 bs=1M count=1024

#此命令会将1GB数据写入到USB存储设备中，输出中会显示写入速度。

4.USB 设备工作状态转换

USB 设备在完成枚举之前，要经过一系列的状态变化，才能够最终完成枚举，在USB 设备接入主机到枚举完成的过程可分为以下的状态变化:

连接状态、供电状态、默认状态、地址状态、配置状态、挂起状态，其中，当设备变成配置状态时，即可认为 USB 设备和 USB 主机间的枚举完成.

1) 连接状态：

USB 设备需要先和主机建立起物理上的连接，USB 设备检测是否连接到主机, 以及 USB 主机检测是否有 USB 设备连接, 这是 USB 协议能够进行后续工作的前提，简单说来，检测连接状态的必要条件就是在 USB 设备接入时某些状态发生了变化。

USB 硬件和协议上可通过检测 VBUS、D+、D-这些信号线的电平信号状态来进行检测连接的方法，当然，USB 主机和设备也必须要具有检测断开的能力。

2）供电状态：

USB 设备可以从 USB 的 VBUS 上获取电源，或者通过外部电源获取电源，这一种称为自供电设备。而我们比较常见的是通过 VBUS 供电的设备称为总线供电设备。

3) 默认状态：

USB设备进入供电状态后，在被复位之前、不能响应总线上的任何事务，只有当 USB 设备被复位，处干默认状态后，才会响应主机发送过来的请求。

4）地址状态：

USB 设备在被复位后，且在 USB 主机给 USB 设备设置一个新的地址之前，所有的 USB 设备都使用默认的0地址与主机进行通信。当 USB 设备在收到主机发送的设置地址请求之后，USB 设备就会得到一个唯一的地址。USB 设备会一直保存这个地址并使用它与主机进行通信，直到设备被复位或者断开。

即使 USB 设备在获取唯一地址之后进入挂起状态，设备依然会保留这个地址，并在总线恢复后继续使用该地址，在设备挂起期间，主机也不能把该唯一地址分配给其他的 USB 设备。

5）配置状态：

在 USB 设备功能能够使用之前，USB 设备和 USB 主机必须协商确定功能相关的配置项，所有的配置项都以描述特的形式提供，其中配置状态所需的描述符主要有 以下6 种:

- -- 设备描述符

---配置描述符

--- 字符串描述符

--- 接口描述符

l ---端点描述符

--- 设备限定描述符

一旦相关功能参数被配置后，USB 设备就可以正常工作了，正常的 USB 设备在收到 USB 主机发出的复位信号后会进入默认状态，之前所指定的地址、所配置的接口和配置项都将无效，需要由 USB 主机重新指定设备地址，获取描述符并配置相关配置项，才能够使设备重新工作。

6) 挂起状态：

USB 设备在 USB 总线持续 3ms 没有活动时，设备就会自动进入挂起状态，有挂起则意味着有恢复状态，这两个状态切换是 USB 协议实现低功耗的一种机制。进入挂起状态后，USB 设备要维持所有的内部状态。

5.USB设备枚举交互过程

主机识别到有设备接入后，会发起枚举，读取设备的描述符信息后配置设备。枚举过程是让USB HOST认得这个USB设备，并且为该设备准备资源，建立好主机和设备之间的数据传递机制。USB设备的枚举（Enumeration）是一个由主机控制器（Host Controller）和USB设备之间的交互过程，用于初始化并配置设备以便通信。

枚举通信的完整过程具体如下：

1）设备上电与检测

当USB设备连接到主机时，主机通过检测到D+线上的电压变化来识别设备连接事件,并向host主机报告；

2）Hub检测所插入的设备是高速还是低速

hub通过检测USB总线空闲(Idle)时差分线的高低电压来判断所连接设备的速度类型，当host发来Get_Port_Status请求时，usb hub就将此设备的速度类型信息回复给host。USB 2.0规范要求速度检测要先于复位（Reset）操作。

3）hub复位设备

主机一旦得知新设备已连上以后，它至少等待100ms以使得插入操作的完成以及设备电源稳定工作。然后主机控制器就向hub发出一个 Set_Port_Feature请求让hub复位其管理的端口(刚才设备插上的端口)。hub通过驱动数据线到复位状态(D+和D-全为低电平 )，并持续至少10ms。当然，hub不会把这样的复位信号发送给其他已有设备连接的端口，所以其他连接在该hub上的设备不受影响。

4）Host检测所连接的全速设备是否是支持高速模式

因为根据USB 2.0协议，高速（High Speed）设备在初始时是默认全速（Full Speed ）状态运行，所以对于一个支持USB 2.0的高速hub，当它发现它的端口连接的是一个全速设备时，会进行高速检测，看看目前这个设备是否还支持高速传输，如果是，那就切到高速信号模式，否则就一直在全速状态下工作。

同样的，从设备的角度来看，如果是一个高速设备，在刚连接hub或上电时只能用全速信号模式运行（根据USB 2.0协议，高速设备必须向下兼容USB 1.1的全速模式）。随后hub会进行高速检测，之后这个设备才会切换到高速模式下工作。假如所连接的hub不支持USB 2.0，即不是高速hub，不能进行高速检测，设备将一直以全速工作。

5) Hub建立设备和主机之间的信息通道

主机不停地向hub发送Get_Port_Status请求，以查询设备是否复位成功。Hub返回的报告信息中有专门的一位用来标志设备的复位状态。

当hub撤销了复位信号，设备就处于默认/空闲状态（Default state），准备接收主机发来的请求。设备和主机之间的通信通过控制传输，默认地址0，端点号0进行。 (所有的USB设备在总线复位后其地址都为0，这样主机就可以跟那些刚刚插入的设备通过地址0通信。)

6）主机发送Get_Descriptor请求获取默认管道的最大包长度

默认管道（Default Pipe）在设备一端来看就是端点0。由于枚举过程不是多个设备并行处理，而是一次枚举一个设备的方式进行，所以不会发生多个设备同时响应主机发来的请求。

设备描述符的第8字节代表设备端点0的最大包大小。虽然说设备所返回的设备描述符（Device Descriptor）长度只有18字节，但系统也不在乎，此时，描述符的长度信息对它来说是最重要的，当完成第一次的控制传输后，也就是完成控制传输的状态阶段，系统会要求hub对设备进行再一次的复位操作（USB规范里面可没这要求）。再次复位的目的是使设备进入一个确定的状态。

7) 主机给设备分配一个地址

主机控制器通过Set_Address请求向设备分配一个唯一的地址。在完成这次传输之后，设备进入地址状态（Address state），之后就启用新地址继续与主机通信。这个地址对于设备来说是终生制的，设备在，地址在；设备消失（被拔出，复位，系统重启），地址被收回。同一个设备当再次被枚举后得到的地址不一定是上次那个了。

在本次传输中，USB 主机和设备都仍然使用地址0进行通信，在设备收到设置地址请求后，必须要在50ms 内处理该请求并完成该请求的状态阶段，

在完成状态阶段后，可以有 2ms 的恢复时间，在这个时间内，USB 主机不能使用其刚刚指定的地址与设备通信，在这个时间之后，设备必须要使用该新地址与主机进行通信，同时，设备不能对发送到旧地址的任何请求产生回复，除非新旧地址一致。

8) 获取完整设备描述符

前面我们讲到了设备描述符部分，并且在上面的新地址设置完成后，主机与设备将会用新的地址通信，USB 主机会用新地址与设备进行通信，来获取完整的 18 字节的 USB 设备描述符。USB 设备描述符的第 18 字节表示该设备配置描述符的数目

主机发送 Get_Descriptor请求到新地址读取设备描述符，这次主机发送Get_Descriptor请求后，会详细解析设备描述符的内容。设备描述符内信息包括端点0的最大包长度，设备所支持的配置（Configuration）个数，设备类型，VID（Vendor ID，由USB-IF分配）， PID（Product ID，由厂商自己定制）等信息。

接下来，主机就会获取配置描述符。配置描述符总共为9字节。主机在获取到配置描述符后，根据里面的配置集合总长度，再获取配置集合。配置集合包括配置描述符，接口描述符，端点描符等等。

如果有字符串描述符的话，还要获取字符串描述符。另外HID设备还有HID描述符等。

枚举流程过程获取的信息有以下内容:

---获取设备描述符

--- 设置设备的地址

---获取完整设备描述符

---获取配置描述符

---获取字符串描述符

--- 获取限定描述符

---配置设备的配置描述符

9） 主机给设备挂载驱动

主机通过解析描述符后对设备有了足够的了解，会选择一个最合适的驱动给设备。 然后tell the world（announce_device）说明设备已经找到了，最后调用设备模型提供的接口device_add将设备添加到 usb 总线的设备列表里，然后 usb总线会遍历驱动列表里的每个驱动，调用自己的 match（usb_device_match） 函数看它们和你的设备或接口是否匹配，匹配的话调用device_bind_driver函数，现在就将控制权交到设备驱动了。

10）设备驱动选择一个配置

驱动（注意，这里是驱动，之后的事情都是有驱动来接管负责与设备的通信）根据前面设备回复的信息，发送Set_Configuration请求来正式确定选择设备的哪个配置（Configuration）作为工作配置（对于大多数设备来说，一般只有一个配置被定义）。至此，设备处于配置状态(Configured)，当然，设备也应该使能它的各个接口（Interface）。