【Linux驱动】USB协议

🐱作者：一只大喵咪1201
🐱专栏：《Linux驱动》
🔥格言：你只管努力，剩下的交给时间！

USB协议

😼认识USB
- 🙀USB的电气信号
- - 低速和全速信号电平
  - 低速和全速的数据信号
  - NRZI与位填充
😼USB协议
- 🙀包格式
- - 令牌包
  - 数据包
  - 握手包
😼传输类型
- 🙀批量传输
- 🙀中断传输
- 🙀实时传输
- 🙀控制传输
😼设备描述符
- 🙀枚举过程
😼总结

😼认识USB

当我们把一个USB设备，比如U盘插入刀电脑中以后，就会弹出发现xxx设备，还会跳出一个对话框，提示我们安装驱动程序。这里有几个问题需要弄明白：

为什么一接入USB设备，电脑就能发现它？

如上图所示，USB接口有四根线，在PC的USB内部，这四根线的D+和D-各接一个15K的下拉电阻，在USB设备没有插入时，这两根线处于低电平状态。

在USB设备内部，D+或者D-接了一个1.5K的上拉电阻，当USB设备插入以后，PC和USB设备的这四根线就相连了。

此时D+或者D-就变成了高电平。
USB控制器检测到电平变化以后就知道有USB设备插入了。

USB设备插到电脑上去，插入的是PC的什么模块？

如上图所示是USB总线的拓扑图，USB设备插入电脑以后，是插入到PC的USB控制器，这是一个内嵌的root hub。

USB Host：它跟处理器CPU相连，处理器通过USB Host跟各类USB设备通信，USB Host中集成有一个root hub。
USB Device：这分为两类设备：
- Hub：用来扩展USB接口，就像是扩展坞
- Function：就是普通的USB设备，比如U盘、声卡等

可以看到，每一级Hub既可以连接一个USB设备，也可以连接一个Hub，但是Hub的连接是有限制的，就像扩展坞不能无限制的在扩展坞上继续接扩展坞。

包括USB Host在内的RootHub，最多有6级Hub。
第7层就必须接USB设备了，不能再接Hub了。

既然还没有USB的驱动程序，为何能知道这是一个U盘，从而让我们安装U盘的驱动程序呢？

在PC的系统中，存在很多USB设备的驱动程序，在没有相应USB设的时候没有安装，只是放在那里。

接入USB设备后，USB总线驱动程序能识别到这个USB设备。
识别到以后再提示我们安装存放在系统中的对应USB设备的驱动程序。

USB设备种类非常多，为什么一接入电脑，就能识别出来它的种类？

PC和USB设备都遵循USB协议的规范，在USB设备插入PC以后，PC会向USB设备发出你是什么设备的询问，USB设备就会回答我是xxx，并且询问和回答的格式是固定的。

这个过程就是PC在获取USB设备的描述符信息。

电脑上一般都会插着很多USB设备，怎么分辨它们？

每一个USB设备在刚插入PC时，默认的地址编号是0，PC就和地址编号0进行通信。
PC会再给不同的USB设备分配一个唯一的地址编号，之后就用分配的这个地址编号和USB设备之间进行通信。

软件框架：

如上图所示操作USB设备的软件框架：

应用层可以通过USB设备驱动，去使用USB控制器驱动中的方法去控制芯片中的USB控制器，进而去操作USB设备。
应用层也可以跳过USB设备驱动，直接去使用USB控制器驱动中的方法去控制芯片中的USB控制器，进而去操作USB设备。

🙀USB的电气信号

如上图所示USB设备和USB的Hub直接的电路图，USB设备和Hub之间的D+和D-两根线直接相连：

如果USB设备的D+接1.5K的上拉电阻，那么USB设备插入以后，Hub端的D+就会成为高电平，从而表明这是一个全速或者高速的USB设备。
如果USB设备的D-接1.5K的上拉电阻，那么USB设备插入以后，Hub端的D-就会成为高电平，从而表明这是一个低速的USB设备。

USB设备不会同时具备高速和低速，但是可以同时具备者高速和全速或者是低速和全速。

USB连接线有4条：5V、D+、D-、GND。
数据线D+、D-，只能表示4种状态。

USB协议中，很巧妙地使用D+和D-这两条线路实现了空闲(Idle)、开始(SOP)、传输数据(Data)、结束(EOP) 等功能。

低速和全速信号电平

这里本喵仅介绍低速和全速信号电平，高速的自己类推即可：

如上图所示是USB2.0中的低速和全速信号电平表：

Differential “1”：这是差分信号1，D+线高电平，D-线低电平。
Differential “2”：这是差分信号2，D+线低电平，D-线高电平。
SE0：D+线和D-线都是低电平。
SE1：D+线和D-线都是高电平。

以上就是两根线对应的四种状态，所有信号的都是由这四种状态来表示的：

J状态：低速设备对应差分信号0，全速设备对应差分信号1。
K状态：低速设备对应差分信号1，全速设备对应差分信号0。
空闲状态(Idle)：低速和全速设备对应的都是J状态。

如上图所示，对于高速设备：

它先作为全速设备被识别出来，然后再被识别为高速设备。
识别出全速设备后，Hub端口发出SE0复位信号。
USB设备检测到SE0信号号，就会回应一个信号来表明自己是否是高速设备。

工作于高速模式时，D+的上拉电阻是断开的，所以对于工作于高速模式的USB设备，无法通过D+的引脚电平变化监测到它已经断开。

工作于高速模式的设备，D+、D-两边有45欧姆的下拉电阻，用来消除反射信号。

如上图所示Hub内部电路图：

当断开高速设备后，Hub发出信号，得到的反射信号无法衰减，Hub监测到这些信号后就知道高速设备已经断开。

低速和全速的数据信号

如上图所示USB协议数据格式：

SOP：Start Of Packet，也就是起始信号。

如上图所示，起初D+和D-两根线是处于J状态的，当这两根线变成K状态以后，表明Hub发起USB传输。

SYNC：同步信号。

对于串口协议，需要通信双方约定好波特率，一方按照这个速度去改变TX数据线上的电平，另一方按照这个速度去读取RX线上的电平，从而进行通信。
对于I2C和SPI协议，通信双方之间有一根时钟线，时钟线每产生一个脉冲，发送方改变一次SDA或者MOSI线上的电平，与此同时，接收方读取对应线上的电平，从而进行通信。

无论是是同步通信还是异步通信，都需要双方知道改变数据线上电平的速率。

USB协议中的同步信号就是Hub和USB设备在进行通信速率的交流。

如上图所示，SYNC格式为3对KJ信号外加2个K信号。

USB设备根据SYNC信号速率，自行识别并且记录下这个速度，这一次传输就按照这个速度去读取或者改变D+和D-线上的电平。
这样一来，通信双方就完成了通信速率的交流。

Packet Content：包内容。

后面会详细讲解USB数据包的内容。

EOP：End Of Packet，也就是结束信号。

如上图所示EOP信号时序：

由数据的发送方先设置D+和D-为SE0状态，并持续2位的时间。
然后再设置位J状态，并持续1位的时间。
最后将D+和D-变为高阻态，此时D+和D-进入Idle空闲状态。

NRZI与位填充

如上图所示每一个比特位的电平信号：

对于串口或者I2C等协议，低电平用0表示，高电平用1表示。
对于USB协议，对于数据0，保持J或者K状态不变，对于数据1，反转波形，由J状态变成K状态或者由K状态变成J状态。

USB协议采用的是反向不为零编码方式来传输每一位数据。

但是此时有一个问题：

如果传输非常多位的0，D+和D-不断在J状态和K状态之间切换，接收方识别到一次切换就知道这是一个0，并且可以调整频率，同步接收。
但是如果传输的是多位的1，D+和D-会保持J状态或者K状态不变，即使在同步信号中双方统一了传输速率，但是由于晶振频率等原因也会出现误差。

比如传输100个1时，如果接收方稍有偏差，就可能认为接收到了99位1、101位1。对于这种情况，USB采用了Bit-Stuffing位填充的处理方式：

在连续发送6个1后面会插入1个0，强制翻转发送信号，从而让接收方调整频率，同步接收。
而接收方在接收时只要接收到连续的6个1后，直接将后面的0舍弃即可得到正确的数据。

😼USB协议

如上图，一个USB物理设备里面可能有多个逻辑设备，Host可以外接多个逻辑设备。

比如我们的USB摄像头，它既有视频流功能，也有音频流功能。
视频流和音频流这两个功能在Host看来，这就是两个逻辑设备。

Host操作的是不同的逻辑设备，即使这些逻辑设备同属于一个物理设备。

🙀包格式

如上图所示USB数据格式，SOP，SYNC，以及EOP，前面在电气信号中本喵已经介绍了，还剩下最重要的Packet Content 包内容。

一个完整的USB数据包就是由以上几部分组成的。
SOP，SYNC等四部分被称为一个一个的域。

PID域：

Packet Content中的PID就是令牌，PID有八位，用来表明这是一个什么类型的包：

前4位表示PID，也就是表明数据包的类型。
后4位是对应位的取反，接收方发现后4位不是前4位的取反的话，就认为发生了错误。

如上图所示，包的类型分为四类，PID的取值有16种：

令牌包(Token)：四位中的低两位是01B，表明这是一个令牌包，又分为四种令牌包：

OUT：设置设备将要输出数据。
IN：通知设备将要读取数据。
SOF：通知设备这是一个帧起始包。
STEUP：通知设备将要开始一个控制传输。

数据包(Data)：四位中的低两位是11B，表明这是一个数据包，又分为四种数据包：

有DATA0、DATA1等四种类型的数据包。

握手包(Handshake)：四位中的低两位是10B，表明这是一个握手包，又分为四种握手包：

ACK：确认应答。
NAK：不确认应答。
STALL：挂起应答。
NYET：未准备好应答。

特殊包(Special)：四位中的低两位是00B，表明这是一个特殊类的包，又分为四种：

一般情况下用不到这类包，本喵不做讲解。

令牌包

地址域：

如上图所示，USB设备的地址有7位，地址用来标识唯一的USB设备。

如上图所示，USB设备的端点号有4位：

端点号可以理解为USB设备中的寄存器。

7位USB地址和4位端点总共11位，组成地址域，也被叫做帧号域。

校验域：

这里是一个CRC校验码，用来校对通信的数据是否正确。

完整令牌包：

如上图所示是一个完整令牌包的格式：

SOP启动传输后，SYNC同步通信速率。
在Packet Content里的PID表明这是一个输出还是输入等类型的令牌包。
令牌包后面必然跟的是USB设备的地址和端点号，表明要和访问的地址。
然后是一个CRC校验码。
最后是一个EOP结束信号。

数据包

Host使用OUT、IN、SETUP等令牌包来通知设备：我要传输数据了，真正的数据是通过数据包进行传输的。

Host和设备都会维护自己的数据包切换机制，当数据包成功发送或者接收时，数据包类型要进行切换。

当检测到对方使用的数据包类型不对时，USB系统认为发生了错误：

Host发送DATA0给设备，设备返回ACK表示成功接收，设备期待下一个数据是DATA1
但是Host没有接收到ACK，Host认为数据没有发送成功，Host继续使用DATA0发送上一次的数据
设备再次接收到DATA0数据包，它就知道：哦，这是重传的数据包。

如上图所示是完整的数据包：

SOP和SYNC和令牌包一样。
PID中的值是DATA0或者DATA1，表明这是一个数据包。
接下来就是真正要传输的数据了。
后的CRC和EOP也是和令牌包一样的意义。

握手包

ACK：数据接收方用来回复发送方，表示正确接收到了数据并且有足够的空间保存数据。
NAK：Host发送数据给设备时，设备可以回应NAK表示"我还没准备好，没办法接收数据"；Host想读取设备的数据时，设备可以回复NAK表示"我没有数据给你"。
STALL：表示发生了错误，比如设备无法执行这个请求(不支持该端点等待)、端点已经挂起。设备返回STALL后，需要主机进行干预才能解除STALL状态。
NYET：仅适用于高速设备。Host可以发出PING包用来确认设备有数据，设备可以回应NYET表示"还没呢"。Hub也可以回应NYET表示低速/全速传输还没完结。

如上图所示是完整的握手包：

SOP和SYNC作用和前面一样。
PID中是ACK或NAK等应答信号。
没有数据域或者帧域，也没有CRC校验码。
EOP和前面一样。

😼传输类型

USB传输的基本单位是包(Packet)，包的类型由PID表示。一个单纯的包，是无法传输完整的数据。

如上图所示，完整的数据传输，需要涉及多个包：令牌包、数据包、握手包，这个完整的数据传输过程，被称为事务(Transaction)。

有些事务需要握手包，有些事务不需要握手包，有些事务可以传输很大的数据，有些事务只能传输小量数据，所以事务又分为四类：

批量事务：用来传输大量的数据，数据的正确性有保证，时效没有保证。
中断事务：用来传输周期性的、小量的数据，数据的正确性和时效都有保证。
实时事务：用来传输实时数据，数据的正确性没有保证，时效有保证。
建立事务：跟批量事务类似，只不过令牌包是SETUP令牌包。

传输和事务其实是不一样的，但是在USB手册的中文翻译版中很多地方都将其归为了一类。

有四类传输(Transfer)：

批量传输：就是使用批量事务实现数据传输，比如U盘。
中断传输：就是使用中断事务实现数据传输，比如鼠标。
实时传输：就是使用实时事务实现数据传输，比如摄像头。
控制传输：由建立事务、批量事务组成，所有的USB设备都必须支持控制传输，用于 识别/枚举 USB设备。

对于批量传输、中断传输、实时传输，它们分别由一个事务组成，不再细分为若干个过程。
但是控制传输由多个事务组成，这些事务分别处于3个过程：建立过程(stage)、数据过程(stage)、状态过程(stage)。每一个过程都是一个或者多个事务。

所以在USB协议中：

bit组成域(Field)
域组成包(Packet)
包组成事务(Transaction)
事务组成传输(Transfer)

一个完整事务涉及到的三个阶段：

令牌阶段(Token phase)：由令牌包实现
数据阶段(Data phase)：由数据包实现
握手阶段(Handshake phase)：由握手包实现

🙀批量传输

如上图所示USB手册中的批量传输架构图，各个矩形框就对应一个完整的包：

批量传输用批量事务来实现，用于传输大量的数据，数据的正确性有保证，时效没有保证。
批量事务由3个阶段(phase)组成：令牌阶段、数据阶段、握手阶段。每个阶段都是一个完整的包，含有SOP、SYNC、PID、EOP。

在这里，批量传输就等于批量事务。

如上图所示是一次正确的批量输入事务。

如上图所示是一次正确的批量输出事务。

🙀中断传输

如上图所示是USB手册的中断传输架构，一个矩形框就对应一个完整的包：

中断传输用中断事务来实现，用于传输小量的、周期性的数据，数据的正确性和时效都有保证。
中断事务由3个阶段(phase)组成：令牌阶段、数据阶段、握手阶段。每个阶段都是一个完整的包，含有SOP、SYNC、PID、EOP。
相比于批量传输来说，中断传输中没有PING事务，而且握手包中也少了一个NYET包。

中断事务跟批量事务非常类似，Host使用它来周期性地读数据、写数据，以鼠标为例：

我们需要及时获得鼠标的数据，不及时的话你会感觉鼠标很迟钝。
但是USB协议中并没有中断功能，它使用周期性的读、写来实现及时性。具体过程如下：
- Host每隔n毫秒发出一个IN令牌包。
- 鼠标有数据的话，发出DATA0或DATA1数据包给Host；鼠标没有数据的话，发出NAK给Host。

中断事务的优先级比批量事务更高，它要求实时性，而批量事务不要求实时性。

🙀实时传输

如上图所示是实时传输的框架，一个矩形框对应一个包：

实时传输用使用事务来实现，用于传输实时数据，对数据的正确性没有要求。
实时事务由2个阶段(phase)组成：令牌阶段、数据阶段。每个阶段都是一个完整的包，含有SOP、SYNC、PID、EOP。
实时事务不需要握手阶段，也就是不需要应答信号。

比如为了传输摄像头的实时数据，偶尔的数据错误是可以忍受的，大不了出现短暂的花屏。如果为了解决花屏而重传数据，那就会导致后续画面被推迟，实时性无法得到保证。

实时事务跟中断事务非常类似，Host也会周期性的发起实时事务，主要区别在于：

实时事务不要求准确性，没有握手阶段
实时事务传输的数据量比较大，中断事务传输的数据量比较小

🙀控制传输

如上图所示是USB手册中的控制传输框架，一个矩形框对应一个事务，而不是一个包。

在使用批量传输时，使用IN令牌包或OUT令牌包表示数据传输方向。控制传输的令牌包永远是SETUP：

发出SETUP令牌包后，还要发出DATA0数据包。
根据数据阶段的内容来确定后续是读数据，还是写数据。这个过程称为建立事务(SETUP Transaction)。

如上图所示是建立事务对应的框图。

但是控制传输由多个事务组成，这些事务分别处于3个过程：建立过程(stage)、数据过程(stage)、状态过程(stage)。

建立过程(stage)，使用SETUP事务：Host发出SETUP令牌包、DATA0数据包、得到ACK握手包。
数据过程(stage)，使用一个或者多个批量事务：
- 对于输出：Host发出OUT令牌包，发出DATA0、DATA1数据包、得到ACK握手包
- 对于输入：Host发出IN令牌包，读到DATA0、DATA1数据包、发出ACK握手包
状态过程(stage)，使用批量事务：
- 对于输出：Host发出IN令牌包，读到DATA1数据包，发出ACK握手包。
- 对于输入：Host发出OUT令牌包，发出DATA1数据包，等待ACK握手包。
- 状态过程的批量事务中的数据阶段，数据大小是0，只是为了获得状态。

😼设备描述符

对于一个USB设备，它可以多种配置(Configuration)。比如4G上网卡就有2种配置：

U盘、上网卡。第1次把4G上网卡插入电脑时，它是一个U盘，可以安装里面的驱动程序。
装好程序后，把它再次插入电脑，它就是一个上网卡。
驱动程序可以选择让它工作于哪种配置，同一时间只能有一种配置。大多数的USB设备只有一种配置。

如上图所示，在Linux中使用lsusb -v查看USB设备的描述符信息，一个USB设备：

只有一个设备描述符：用来表示设备的ID、它有多少个配置、它的端点0一次最大能传输多少字节数据。
可能有多个配置描述符：用来表示它有多少个接口、供电方式、最大电流。
一个配置描述符下面，可能有多个接口描述符：用来表示它是哪类接口、有几个设置(Setting)、有几个端点。
一个接口描述符下面，可能有多个端点描述符：用来表示端点号、方向(IN/OUT)、类型(批量/中断/同步)。

如上图所示是描述符的组成关系。

描述符信息是USB设备中内嵌的，当USB设备插入以后，Hub会发起控制传输来获取描述符信息。
每一个接口就是一个逻辑设备，Hub会将其认为是一个设备。

在setup事务中：

SETUP令牌包：用来通知设备，要开始控制传输了。
DATA0数据包：它含有固定的格式，用来告诉设备是读还是写、读什么、写什么。

如上图所示，Host通过DATA0数据包发送8字节数据给设备，它的格式如上。

数据阶段中的8个字节的常用值如上图所示，USB设备根据这8个字节就可以知道Host想要控制什么。

bRequest这列中的值是一个个宏，表示着不同的意义。

如上图所示是这些宏的取值。

🙀枚举过程

如上图所示是USB设备插入以后的设备状态变化过程，也就是枚举过程：

插入以后，Hub识别出USB设备，进行相应的驱动配置。
再获取默认设备描述符，此时是和端点0进行通信。
再给USB设备设置新的地址，之后使用新地址进行通信。
再次获取设备描述符，以及接口配置描述符。
最后再设置USB设备的配置，即使只有一个配置也要设置。

下面本喵使用一个USB数据捕获工具来看看USB设备的枚举过程，它可以详细的显示出USB数据。

如上图所示，是插入USB设备以后，第一次获取设备描述符：

在建立过程中，先出建立事务，在数据阶段发送一个8字节的数据表明要GET_DESCRIPTOR，也就是获取设备描述符。
在数据过程中，先发出一个读取数据的批量事务来获得设备描述符，但是此时USB设备还没有准备好，给出一个NAK应答。
- Host再次发起一个读取数据的批量事务，这次得到了USB设备发来的18个字节的设备描述符。
在状态过程中，发出一个批量事务，但是数据阶段中的数据是0字节，表明这是一个状态过程。