接口协议(4) - USB

USB(Universal Serial Bus，通用串行总线)是一种新兴的并逐渐取代其他接口标准的数据通信方式，作为一种高速串行总线，其极高的传输速度可以满足高速数据传输的应用环境要求，且该总线还兼有供电简单、安装配置便捷、 扩展端口简易、传输方式多样化，以及兼容良好等优点。

1. 通信速率

Standard	Also Known As	Logo	Year Introduced	Connector Types	Max. Data Transfer Speed	Cable Length**
USB 1.1	Full Speed USB		1998	USB-A USB-B	12 Mbps	3m
USB 2.0	Hi-Speed USB		2000	USB-A USB-B USB Micro A USB Micro B USB Mini A USB Mini B USB-C*	480 Mbps	5m
USB 3.2 Gen 1	USB 3.0 USB 3.1 Gen 1 SuperSpeed		2008(USB 3.0) 2013(USB 3.1)	USB-A USB-B USB Micro B USB-C*	5 Gbps	3m
USB 3.2 Gen 2	USB 3.1 USB 3.1 Gen 2 SuperSpeed+ SuperSpeed 10Gbps		2013(USB 3.1)	USB-A USB-B USB Micro B USB-C*	10 Gbps	3m
USB 3.2 Gen 2x2	USB 3.2 SuperSpeed 20Gbps		2017(USB 3.2)	USB-C*	20 Gbps	3m
USB 4	USB 4 Gen 2x2 USB 4 20Gbps		2019	USB-C*	20 Gbps	0.8m
USB 4	USB 4 Gen 3x2 USB 4 40Gbps		2019	USB-C*	40Gbps	0.8m

USB 3.0发布时叫USB 3.0，USB 3.1发布后，USB 3.0改成了USB 3.1 Gen 1，而真正的USB 3.1叫做USB 3.1 Gen 2，后来，发布USB 3.2之后，USB3.0和USB 3.1的名字也跟着升级，三者分别为USB 3.2 Gen 1，USB 3.2 Gen 2，USB 3.2 Gen 2x2.

2. USB接口

 

 

Type-A and -B pinout
Pin	Name	Wire color		Description
1	Vbus	Red or	Orange	+5V
2	D-	White or	Gold	Data-
3	D+	Green		Data+
4	GND	Black or	Blue	Ground

Mini/Micro-A and -B pinout
Pin	Name	Wire color	Description
1	Vbus	Red	+5V
2	D-	White	Data-
3	D+	Green	Data+
4	ID	No Wire	On-The-Go ID Distinguishes cable ends: "A" plug (host): Connected to GND "B" plug (device): not connected
5	GND	Black	Signal ground

 

Micro-B SuperSpeed pinout
Pin	Name	Description
1	Vbus	+5V
2	D-	Data-
3	D+	Data+
4	ID	On-the-GO
5	GND	Signal ground
6	SSTx-	SuperSpeed transmit-
7	SSTx+	SuperSpeed transmit+
8	GND	Signal ground
9	SSRx-	SuperSpeed receive-
10	SSRx+	SuperSpeed receive+

 

USB 3.0 connector pinouts
Pin	Color	Signal Name		Description
		A connector	B connector
1	Red	Vbus		+5V
2	White	D-		USB 2.0 differential pair
3	Green	D+
4	Black	GND		Ground for power return
5	Blue	StdA_SSRX-	StdB_SSTX-	SuperSpeed receiver differential pair
6	Yellow	StdA_SSRX+	StdB_SSTX+
7	----	GND_DRAIN		Ground for signal return
8	Purple	StdA_SSTX-	StdB_SSRX-	SuperSpeed transmitter differential pair
9	Orange	StdA_SSTX+	StdB_SSRX+
The USB 3.0 Powered-B connector has two additional pins for power and ground supplied to the device.
10	----		DPWR	Power provided to device (Powered-B only)
11			DGND	Ground for DPWR return (Powered-B only)

  

 

USB Type-C pinout
Type-C receptacle A pin layout				Type-C receptacle B pin layout
Pin	Name	Description		Pin	Name	Description
A1	GND	Ground return		B12	GND	Ground return
A2	SSTXp1(TX1+)	SuperSpeed differential pair #1, TX, positive		B11	SSRXp1(RX1+)	SuperSpeed differential pair #2, TX, positive
A3	SSTXn1(TX1-)	SuperSpeed differential pair #1, TX, negative		B10	SSRXn1(RX1-)	SuperSpeed differential pair #1, TX, negative
A4	Vbus	Bus power		B9	Vbus	Bus power
A5	CC1	Configuration channel		B8	SBU2	Sideband use(SBU)
A6	Dp1(D+)	USB 2.0 diffential pair, position 1, positive		B7	Dn2(D-)	USB 2.0 diffential pair, position 1, negative
A7	Dn1(D-)	USB 2.0 diffential pair, position 1, negative		B6	Dp2(D+)	USB 2.0 diffential pair, position 1, positive
A8	SBU1	Sideband use(SBU)		B5	CC2	Configuration channel
A9	Vbus	Bus power		B4	Vbus	Bus power
A10	SSRXn2(RX2-)	SuperSpeed differential pair #4, RX, negative		B3	SSTXn2(TX2-)	SuperSpeed differential pair #4, RX, negative
A11	SSRXp2(RX2+)	SuperSpeed differential pair #4, RX, positive		B2	SSTXp2(TX2+)	SuperSpeed differential pair #3, RX, positive
A12	GND	Ground return		B1	GND	Ground return

3. 工作原理

USB是利用差分信号进行数据传输的，差分信号具有抗干扰的特性。

4. 传输模式

Type	KeyPoint	Sample	Description
控制传输 (Control Transfers)	完整性校验	USB配置命令	突发的、非周期性的，主机软件发起的请求/响应通信，通常用于命令/状态操作。 数据量小对带宽、时间延迟要求不高，但是要求数据必须正确。
等时传输 (Isochronous Transfers)	带宽、时间延迟	摄像头	等时传输:主机和设备之间定期、连续的通信，通常用于时间相关信息。 这种传输类型还保留了数据中封装的时间概念。然而，这并不意味着这些数据的交付需求总是时间紧迫的。 数据量大需要大带宽、对时间延迟也很高，但是不要求数据必须正确。也正因为前两者的要求高，也很难做到数据校验和重传。
中断传输 (Interrupt Transfers)	时间延迟、完整性校验	键盘、鼠标	低频、有边界延迟通信。 对时间延迟要求高，但数据量小所以要求数据必须正确。
批量传输 (Bulk Transfers)	带宽、时间延迟、完整性校验	文件存储	非周期性、大包突发通信，通常用于可以使用任何可用带宽的数据，也可以延迟到带宽可用。 数据量大需要大带宽，但对时间延迟也不高，要求数据必须正确。也正因为对延迟要求不高，所以可以做数据校验和重传。

5. 组成结构

5.1 Transfer/Frame (传输)

从时间的维度看，USB通信是由一系列的Transfer(传输)组成的。包括四种传输类型:

• Control Transfers 控制传输
• Isochronous Transfers 同步传输
• Interrupt Transfers 中断传输
• Bulk Transfers 批量传输

5.2 Transaction (事务)

每一个Transfer(传输)又可以分成不同的Transaction， 具体的Transaction类型为以下3种:

• IN/Read/Upstream Transaction 输入(Host)事务
• OUT/Write/Downstream Transaction 输出(Host)事务
• Control Transaction 控制事务

5.3 Packet 每一次Transaction又由不同的Packets所组成

• Token Packet
• Data Packet
• Handshake Packet
• Special Packet

5.4 Field 每一个Packet又由不同的Field组成

• Sync 同步域
• PID 标识域
• ADDR 设备地址域
• ENDP 端点域
• FRAM 帧号域
• DATA 数据域
• CRC 校验域

6. 枚举过程

枚举过程可分为10个步骤：

6.1 设备连接

• 当USB设备插入主机时，主机通过检测D+或D-线上的电压变化（取决于设备的速度）发现设备连接。
• 主机检测到设备后，会向设备提供电源（VBUS）。

6.2 复位设备

• 主机发送一个复位信号（Reset）到设备，使设备进入默认状态（Default State）。
• 复位后，设备的地址为0（默认地址），并准备响应主机的控制传输。

6.3 获取设备描述符

• 主机向设备发送一个控制传输请求（GET_DESCRIPTOR），请求设备的设备描述符（Device Descriptor）。
• 设备描述符包含设备的基本信息，如厂商ID（VID）、产品ID（PID）、设备类（Class）、协议版本等。
• 主机通过默认地址（地址0）与设备通信。

6.4 分配地址

• 主机为设备分配一个唯一的地址（1-127），并发送SET_ADDRESS请求。
• 设备接收到地址后，使用该地址进行后续通信。

6.5 获取完整设备描述符

• 主机再次发送GET_DESCRIPTOR请求，获取完整的设备描述符（包括配置描述符、接口描述符、端点描述符等）。
• 这些描述符描述了设备的配置、接口、端点和功能。

6.6 获取配置描述符

• 主机发送GET_DESCRIPTOR请求，获取设备的配置描述符（Configuration Descriptor）。
• 配置描述符包含设备支持的接口数量、端点信息、电源需求等。

6.7 选择配置

• 主机根据配置描述符选择一个合适的配置，并发送SET_CONFIGURATION请求。
• 设备根据配置描述符初始化自身，并准备好与主机通信。

6.8 加载驱动程序

• 主机根据设备描述符中的厂商ID（VID）和产品ID（PID）查找并加载合适的驱动程序。
• 如果设备是标准类设备（如HID、Mass Storage等），主机可能会使用内置的驱动程序。

6.9 设备就绪

• 设备完成枚举后，进入正常工作状态，可以与主机进行数据传输。
• 主机可以通过设备的端点（Endpoint）与设备通信。

6.10 设备断开

• 当设备从主机断开时，主机检测到D+和D-线上的电压变化，并停止与设备的通信。
• 主机释放设备的地址和资源。

枚举过程的通信示例：

# 主机发送GET_DESCRIPTOR请求（设备描述符）
Host -> Device: GET_DESCRIPTOR (Device Descriptor)
Device -> Host: Device Descriptor

# 主机发送SET_ADDRESS请求
Host -> Device: SET_ADDRESS (New Address)
Device -> Host: ACK

# 主机发送GET_DESCRIPTOR请求（配置描述符）
Host -> Device: GET_DESCRIPTOR (Configuration Descriptor)
Device -> Host: Configuration Descriptor

# 主机发送SET_CONFIGURATION请求
Host -> Device: SET_CONFIGURATION (Configuration Value)
Device -> Host: ACK

OK。