关于USB的一些笔记理解感悟

最近工作中使用到了USB，也进行了一些浅显的学习，记录一下

一、USB底层

1.物理层

• 使用两根线进行进行通信，分别为D+、D-，差分电压幅度为0.4V左右
• 底层调制方式使用NRZI（Non-Return to Zero Inverted）编码 + 位填充
• USB1.1理论全速为800KB/S ,USB2.0理论全速为35MB/S左右

2.端点

• USB所有通信都是通过端点进行的,不同的芯片可能具有不同的端点数量，但是至少具有端点0
  • 控制端点：所有设备必须存在控制端点，只能是端点0. 用来作为设备的枚举、配置、基础命令等，支持双向通信
  • 同步端点：同步端点以实时性优先，固定带宽，无错误重传。通常是为音频、视频等设计的（数据量大、时间敏感、允许错误）
  • 中断断点：并不会真正的产生中断，而是由主机定期询问设备是否有数据，这个时间间隔通常是1ms。通常是为键盘鼠标等准备的。（时间敏感、数据量小、不允许错误）
  • 批量端点：是一种可靠传输，大块数据专用，保证数据正确，单次传输量大，但是只有在总线空闲时才进行传输。常用来做U盘、打印机等（时间不敏感、数据量大、不允许出错）

3. 组包方式

3.1 包类型

包类型	组成	作用	示例
Token包	SYNC + PID + ADDR + ENDP + CRC5	声明传输方向/目标地址	IN(0x69) + 设备地址 + 端点号
Data包	SYNC + PID + DATA + CRC16	携带实际数据	DATA0 + 64字节负载 + CRC
Handshake包	SYNC + PID	确认状态（ACK/NAK/STALL）	ACK(0xD2)

3.2 传输类型组包方式

不同传输类型有独特的组包逻辑：

• 控制传输
  • Setup阶段
  • Data阶段
  • Status阶段
• 批量传输
  • 单事务组包
  • 错误恢复
• 中断传输
  • 组包方式类似批量传输
• 同步传输
  • 精简组包

二、枚举流程

• 设备插入检测
  • 物理层触发：主机检测VBUS电压变化（如从0V升到5V）
• 端口复位（Reset）
  • 主机发出持续10ms的SE0信号（D+/D-同时拉低）
  • 设备进入默认状态（地址=0，端点0激活）
• 首次控制传输（地址0）
  主机通过端点0发起以下请求：
  • GetDescriptor(设备描述符)：设备返回18字节基本描述符（含bcdUSB字段标识USB版本）
  • SetAddress(新地址)：主机分配唯一地址（1~127），设备后续使用该地址通信
• 深度描述符读取
  主机用新地址获取更多信息：
  • GetDescriptor(配置描述符)：设备返回配置集合（含接口/端点描述符）
  • GetDescriptor(字符串描述符)：获取厂商/产品名字等文本信息
• 设备配置
  • 主机发送SetConfiguration(配置值)
  • 设备启用指定配置（激活所有端点）
• 驱动加载
  • 主机根据设备类（bDeviceClass）加载对应驱动

三、感悟

USB协议上给人的感觉很复杂，但是好在基本上所有的协议都是标准化的；
但是市面上存在各种品牌的处理器，是不是每个处理器的USB设备的实现都不同呢？

• 并不是，虽然市面上的处理器型号不同，但是如果端点通信是OK的，理论上就可以实现所有的USB设备功能
• 并且，不同的处理器，其USB的IP可能是一样的，这就意味着驱动层适配不用关心芯片，只用关心IP

在我看来，USB协议复杂的地方并不在于底层，而在于class层，因为class种类太多了，想要知道每一种USB的协议细节本身就比较困难
但是好在有开源大神做好了相关的工作，比如cherryUSB和tinyusb，这两个开源项目适配了很多芯片的USB IP，并且写了很多class的demo