Linux usb 1. 总线简介

文章目录

• 1. USB 发展历史
• • 1.1 USB 1.0/2.0
  • 1.2 USB 3.0
  • 1.3 速度识别
  • 1.4 OTG
  • 1.5 phy 总线
  • 1.6 传输编码方式
• 2. 总线拓扑
• • 2.1 Device 内部的逻辑关系
  • 2.2 Compound/Composite Device
  • 2.3 Hub
  • 2.4 Configure Descriptor
• 3. 总线调度
• • 3.1 Frames/Microframes
  • 3.2 Bulk Transactions
  • 3.3 Control Transfers
  • 3.4 Interrupt Transactions
  • 3.5 Isochronous Transactions
  • 3.6 USB 和 PCIE 调度的区别
• 4. 传输格式
• • 4.1 Packet
  • • 4.1.1 Token Packet
    • 4.1.2 Data Packet
    • 4.1.3 Handshake Packet
  • 4.2 Transcation
  • • 4.2.1 IN/Read/Upstream Transaction
    • 4.2.2 OUT/Write/Downstream Transaction
    • 4.2.3 Control Transaction
• 5. 通讯模型
• 参考资料

1. USB 发展历史

USB(Universal Serial Bus)通用串行总线是非常成功的一种总线技术，应用场景很广、发展也非常迅速。到现在一共经历了以下版本：

Version	App	Speed	Direction	Data Line
USB 1.0	低速 Low Speed	1.5Mbps	Half 单工模式	1对差分线 D+/D1
USB 1.1	全速 Full Speed	12Mbps	Half 单工模式	1对差分线 D+/D1
USB 2.0	高速 Hi-Speed	480Mbps	Half 单工模式	1对差分线 D+/D1
USB 3.1 Gen1	超高速 SuperSpeed	5Gbps	Full 双工模式	2对差分线
USB 3.1 Gen2	超高速 SuperSpeed+	10Gbps	Full 双工模式	2对差分线
USB 3.2	超高速 SuperSpeed+	20Gbps	Full 双工模式	4对差分线
USB 4.0	超高速 SuperSpeed+	40Gbps	Full 双工模式	4对差分线

1.1 USB 1.0/2.0

在 USB 1.0/2.0 时期只需要用到4根线：1根电源线、1根地线、1对差分数据线。因为只有1条数据通路，所以只能是单工的，同一时间只能是接收或者发送数据。

使用 Type A 和 Type B 型的接口：

还有一系列小尺寸的变种：

1.2 USB 3.0

在 USB 3.0 时代从两个方向来增加速度：

• 增加传输的时钟速率，速率从480M增加到了5G。高速信号会给PCB走线、EMC、线缆带来不小的压力。
• 增加差分数据通路的数量。首先发明了改进型的 USB3.0 Type A 接口，在原有4线的基础上再增加了5条线：
  

可以看到增加的5条线分别为1条地线和2对差分数据线。因为有了2条数据通路，所以可以双工，同一时间能同时接收和发送数据。在工作在 USB 3.0 模式时，原来的 D+/D- 差分线是不使用的。

上图是 USB3.0 Type A 接口示意图，注意新增的5条线已断针的形式隐藏在后面，这样的设计是为了和 USB 2.0 兼容。但是颜色改成了蓝色，以示区别。

在 USB 3.0 还出现了一种全新的接口类型 Type C 接口，它带来了以下好处：

• 接口线数量猛增到了24线，其中数据通路在 D+/D- 之外再提供了 4条差分数据线。
• 实现了正反面任意插拔，大大方便了用户使用。
  
  从 USB 3.2 开始，因为它需要使用 4 对数据差分线，所以目前唯一支持的只有 Type C 接口。

1.3 速度识别

USB 1.0 和 1.1 通过 D+/D- 的上拉电阻来进行区分：

• D+ 上拉，USB 1.1 Full-speed。
• D- 上拉，USB 1.0 Low-speed。
  
  USB 2.0 High-speed 首先 D+ 上拉，被当成 USB 1.1 Full-speed。然后通过编码识别来区分 High-speed 和 Full-speed：
  
• 1、Hub检测到有设备插入/上电，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（即D+和D-全为低电平），并持续至少10ms。
• 2、高速设备看到复位信号，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上拉电阻未撤销，在hub端，全速/低速驱动器形成一个阻抗为45Ohm的终端电阻，1.5k与45Ohm的电阻并联，仍然是45Ohm，所以在Hub端看到一个约800mV的电压，这就是Chirp K信号。Chirp K信号持续1ms ~ 7ms。
• 3、在Hub端，虽然设置了复位信号，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，然后识别为全速设备。
• 4、设备发送的Chirp K信号结束后100us内，hub必须开始恢复一连串的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40us~60us。KJ序列停止后的的100-500us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。
• 5、在回到设备端来。设备检测到6个hub发送的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，实际上就是全速/低速差分驱动器
  (3)进入默认的高速状态。
  执行(1)、(2)步后，USB信号线上看到的现象就发生变化，hub发送出来的Chirp KJ序列幅值降到原来的一半，即400mV。这是因为设备端挂载新的中断电阻，并联后的阻抗是22.5Ohm。之后高速操作的信号幅度就是400mV，而不像全速/低速那样的3V。

USB Chirp K、Chirp J、SE0 信号定义：

信号	低速模式 Low-speed	全速速模式 Full-speed	高速模式 High-speed
Chirp J	D+ = 0，D- = 1	D+ = 0，D- = 1	D+ = 1，D- =0
Chirp K	D+ =1， D- = 0	D+ =1， D- = 0	D+ =0， D- = 1
SE0	D+ = 0， D- =0	D+ = 0， D- =0	D+ = 0， D- =0
IDLE	K状态	J状态	SE0状态

• 从J到K或者从K到J，信号翻转，说明发送的信号是0.从J到J或从K到K，信号不变，说明发送的信号是1.
• Chirp J K状态高速设备与低速设备相反。

对于 USB 3.0 以后的速度识别，暂未研究。

1.4 OTG

USB OTG技术可实现没有主机时设备与设备之间的数据传输。例如：数码相机可以直接与打印机连接并打印照片， 手机与手机之间可以直接传送数据等，从而拓展了USB技术的应用范围。

在OTG中，初始主机设备称为A设备，外设称为B设备。也就是说，手机既可以做外设，又可以做主机来传送数据，可用电缆的连接方式来决定初始角色(由ID线的状态来决定)。

在 Mini/Micro USB 接口一共有 5 根线，在原有 USB 的基础上多出了一根 ID 线。OTG的识别是通过ID脚的电平进行决定OTG作为Device还是Host：

当OTG设备检测到接地的ID引脚时，表示默认的是A设备（主机），而检测到ID引脚浮空的设备则认为是B设备（外设）。

1.5 phy 总线

USB信号传输前，需要通过phy把usb控制器的数字信号转成线缆上的模拟信号。usb控制器和phy之间的总线主要有3种：

• 1、UTMI (USB2.0 Transceiver Macrocell Interface)。最早的 USB controller和USB PHY通信的协议。
  
• 2、ULPI (UTMI+Low Pin Interface)。从名字上就可以看出ULPI是UTMI的Low Pin版本
  
• 3、HSIC (USB 2.0 High Speed Inter Chip)。是USB 2.0的芯片到芯片变体，它消除了普通USB中的传统模拟收发器。速度可达480M,是IIC的理想替代。
  

1.6 传输编码方式

USB 信号在线路上传输时，需要采取合适的编码方式。

• 1、USB 1.0/2.0 采用的是 URZI (No Return Zero-Inverse) 编码。无需同步的时钟信号也能产生同步的数据存取。NRZI的编码规则是，当数据位为1时不转换，当数据位为0时转换，如下图所示。位传输的顺序以LSB优先。
  
  这种编码方式会遇到一个严重的问题，若重复相同的1信号时，就会造成数据长时间无法转换，逐渐的累积而导致堵塞的情况，使得读取的时序出现严重的错误。因此，在NRZI编码之间，还需执行所谓的位填塞（bit-stuffing）。即是，若原始的串行数据含有连续的6个1时，就执行位填塞工作，填塞一个0。

• 2、USB 3.0 采用的是 8b/10b 编码。

• 3、USB 3.1/3.2 采用的是 128/132 (64b/66b) 编码。

2. 总线拓扑

USB 是星型拓扑总线，由 hub 来进行多级扩展。最大的层级不能超过7层，在任何一条路径上不能超过5个非根hub。

USB 总线由 3 种角色组成：

• Host。星型总线的中心，配置所有Hub和Device，调度总线上所有的数据收发。
• Hub。提供了扩展端口，能连接更多的Device。Hub本身也是一种特殊的Device。
• Device。提供了实际的设备功能。
  
  经过几种角色的组合以后，USB 总线形成了逻辑上的星型拓扑，Host 到任一 Device 都是点对点传输。

2.1 Device 内部的逻辑关系

USB 将 Device 内部的资源进一步细分成了3个层级：Configuration 配置、Interface 接口、Endpoint 端点。

• 1、Configuration 配置

每个USB设备都可以包含一个或者多个配置，不同的配置使设备表现出不同的功能组合，配置有多个接口组成。在USB协议中，接口由多个端点组成，代表一个基本的功能。

看下面的一个例子。一个USB播放器带有音频视领功能，还有旋钮和按钮。那么这个 Device 设备 可以提供3种 Configuration 配置：
配置1：音须(接口) + 旅钮(接口）
配置2: 音频(接口) + 视频(接口) + 按钮(接口）
配置3：视频(接口) + 旋钮(接口）

• 2、Interface 接口 / Function 功能

Interface 接口代表一个独立的基本的功能，所以有时也称之为 Function 功能。如果我们开发 USB Client 驱动，我们面向的对象就是 USB Interface，上述实例中的音烦接口、视频接口、投钮接口、旋钮接口均需要一个独立的 USB Client 驱动程序。

一个 Interface 接口中包含了完成这个基本功能的所需要的一个或者多个 Endpoint 端点。

• 3、Endpoint 端点 (Pipe 管道)

端点是USB设备中最基本的可寻址单位，它是位于USB设备或主机上的一个数据缓冲区，用来存放和发送USB的各种数据。

设备的Endpoint 0 是一个特殊端点，在设备初始化时系统需要使用该端点读配置设备。其他编号的端点 USB Client 驱动都可以使用。

一个 Host 主机的端点和一个设备 Device 的端点建立的连接称之为 Pipe 管道：

2.2 Compound/Composite Device

在 USB 协议描述中，有两个非常相近的名字：Compund Device 和 Composite Device。正确的理解的它们有助于我们理解清楚随后的一些概念。

• Compund Device。指的是一个 hub 设备中，还包含了其他的功能 device。
• Composite Device。指的是一个 Device 当中，包含了多个 Interface，能提供多个独立的功能。

2.3 Hub

在 USB 的总线结构中，Hub是一个重要的组成成员，它主要的作用是控制 Port 端口来连接更多的 USB Device设备。

它的核心点如下：usb host需要给总线上的设备分配不同的地址才不会冲突，usb的星形拓扑连接设备都是通过hub的端口连结到总线上的。总线初始化枚举设备时，usb设备的地址都是默认地址0，但是hub的端口都是关闭的所以并不产生设备冲突，host逐个打开hub的端口，逐个利用打开端口上设备的默认地址0来配置设备，给其分配新的地址，从endpoint 0中读出设备的配置并设置。在运行过程中usb设备的热插拔也是和这类似的。

2.4 Configure Descriptor

对于一个 USB 设备，在 Device、Configuration、Interface、Endpoint 每个层次上都有对应的描述信息。可以使用 endpoint0 在设备初始化的时候读出和配置这些信息。

以下是USB协议中对这些描述信息的详细定义：

最重要的是设备在初始化时，通过这些信息来进行枚举配置的过程。一个设备枚举的过程分为如下8步：

• 1.获取设备描述符

  • Host/Hub通过数据线上拉电阻的阻值变化检测到新设备接入。Host等待100ms以保证设备电源稳定。
  • Host向device发Bus Reset使得设备进入default状态，从此之后，设备可以响应默认地址0.
  • Host请求Device发送Device Descriptor的前64个字节。

• 2.复位

  • Host在收到Device Descritptor的前8个字节后，再次向Device发出Bus Reset。

• 3.设置地址

  • Host发送一个Set Address命令给Deivce, 从此Device有个通信地址，不再使用默认地址0进行通信。

• 4.再次获取设备描述符

  • Host请求获取完整的Device Descritpor, 总计18字节。

• 5.获取配置描述符

  • Host请求获取9个字节的Configuration Descriptor以了解 Configuration descriptor的总大小。
  • Host请求255字节的Configuration Descritpor。

• 6.获取接口，端点描述符

• 7.获取字符串描述符

• 8.选择设备配置

3. 总线调度

USB 作为一个高速总线，它需要充分利用起其带宽，并且能承担其多种业务类型的数据包的传输。

对数据传输来说，最重要的有几种因素 带宽、时间延迟、完整性校验。根据这几种因素的组合，USB 把数据传输分成了4类：

Type	KeyPoint	Sample	Descript
Control Transfers 控制传输	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
Isochronous Transfers 等时传输	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
Interrupt Transfers 中断传输	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
Bulk Transfers 批量传输	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

USB使用以下方法来满足多种类型的数据在一条共享通道上传输：

• 时间延迟。从时间维度上把数据传输切成多个时间片，在每个时间片内绝大部分份额(最多80%)优先传输对时间延迟有要求的数据，如Interrupt Transfers、Isochronous Transfers。在时间片剩下的额度内传输对时间延迟没要求的数据，如Control Transfers、Bulk Transfers。
• 完整性校验。对需要保证数据完整性的数据加上了CRC 校验，接收端使用 ACK 来知会发送端正确接收，如果没有收到 ACK 发端会尝试重发 3 次。

3.1 Frames/Microframes

如上图，USB从时间维度上把数据传输切成多个时间片：

• Frames。Low-speed 和 Full-speed 的时间切片大小为 1ms，USB 控制器每1ms重新调度一下传输。
• Microframes。High-speed 的时间切片大小为 125us，USB 控制器每125us重新调度一下传输。

这个时间切片，和操作系统上 schedule tick 的概念是一样的。

在数据格式传输上又会进一步细分：

• Transfer。每个时间片的所有传输称之为一个 Transfer，或者为一个 Frames/Microframes。
• Transcation。根据某次数据传输的目的，一个 Transfer 可以分成多个 Transcation 事务。
• Packet。数据传输的最小单位，一个 Transcation 可能由多个 Packet 事务组成。

3.2 Bulk Transactions

上图可以看到 Bulk 类型的 In/Out Endpint 在数据收发时的状态流程图：

• NAK。接收端数据未准备好。
• ACK。接收端接收到数据且数据校验正确。
• 不回应。接收端接收到错误数据，发端会重发 3 次。

3.3 Control Transfers

Control 类型 和 Bulk 类型的处理类似。

3.4 Interrupt Transactions

Interrupt 类型对 完整性校验 也是有要求，处理流程和前面一样。

3.5 Isochronous Transactions

Isochronous 类型是唯一对 完整性校验 没有要求的，所以它的数据不需要 ACK 回应。

3.6 USB 和 PCIE 调度的区别

PCIE 总线也是一个非常成功和流行的总线，从底层来说它和 USB 总线是非常像的：

• 它也是高速串行总线。

• 它也是共享性的总线。都是把带宽逻辑切割成多份，分给不同的Device和驱动。
  
  但是它又看起来和 USB 如此的不同，主要的差异就在总线的调度上面：

• PCIE 硬件使用了一个专门的仲裁器来做总线调度，所以在Device配置好以后，所有的 Mem/Io 空间被映射到一个统一地址空间当中，只要发起普通的读写操作就能访问。而USB的总线调度被暴露了出来，需要硬件软件共同配合才能完成。毫无疑问，PCIE 的硬件复杂度和成本会远远高于 USB。

• 另外由于 PCIE 有独立的仲裁器来进行调度，所以 PCIE 支持多个设备同时操作总线。而 USB 的所有操作都需要 Host 来调度，所以只能由 Host 发起总线操作。从效率来说 USB 要低。

• 还有一点PCIE硬件仲裁器对软件是透明的，所以软件读写总线是同步的。而软件操作USB总线是异步的，通过回调的操作来进行usb和cpu之间的状态对齐。

4. 传输格式

上文说过一个传输时间片 Tranfer/Frame/MicroFrame，可以分割成多个 Transaction 事务，一个 Transaction 事务又可以细分成多个 Packet 包。

4.1 Packet

Packet 包是 USB 传输的最小单位，由五部分组成：

• 同步字段（SYNC）
• 包标识符字段（PID）
• 数据字段
• 循环冗余校验字段（CRC）
• 包结尾字段（EOP）
  
  主要的数据包格式有四类，对应不同的 PID 类型：
  

4.1.1 Token Packet

此格式适用于IN、OUT、SETUP、PING。

4.1.2 Data Packet

有四种类类型的数据包：DATA0, DATA1, DATA2,and MDATA，且由PID来区分。DATA0和DATA1被定义为支持数据切换同步(data toggle synchronization)。

4.1.3 Handshake Packet

ACK: 对于IN事务，它将由host发出；对于OUT、SETUP和PING事务，它将由device发出。
NAK: 在数据阶段，对于IN事务，它将由device发出；在握手阶段，对于OUT和PING事务，它也将由device发出；host从不发送NAK包。

4.2 Transcation

在USB上数据信息的一次接收或发送的处理过程称为事务处理（Transaction）即：The delivery of service to an endpoint。一个事务由一系统packet组成，通常的一次 Transaction 由3个Packets组成：Token -> Data -> Handshake。

4.2.1 IN/Read/Upstream Transaction

4.2.2 OUT/Write/Downstream Transaction

4.2.3 Control Transaction

Control Transaction最多由3个Stage组成, Setup stage, Data stage, Status stage。其中Data stage不是必需的，有的control transaction没有data stage。

• Control No Data (Transfer)
  

• Control Read (Transfer)
  

• Control Write (Transfer)
  

5. 通讯模型

USB 的主要作用就是建立起 Host 和 Device 之间的通讯。

• 简要的通讯模型：
  

• 详细的通讯模型：
  

参考资料

1.USB 2.0 Specification
2.USB中文网
3.USB协通讯议–深入理解