学习笔记->USB相关概念和协议浅析1

USB 系统拓扑结构

1、系统拓扑结构(最多127个设备)
一个 USB HOST 最多可以同时支持 128 个地址，地址 0 作为默认地址，只在设备枚举期间临时用，而不能被分配给任何一个设备，因此一个 USB HOST 最多可以同时支持 127 个地址，如果一个设备只占用一个地址，那么可最多支持 127 个 USB 设备。在实际的 USB 体系中，如果要连接 127 个USB设备，必须要使用 USB HUB，而 USB HUB 也是需要占用地址的，所以实际可支持的 USB 功能设备的数量将小于 127。

2、USB主控制器负责处理主机与设备之间的电气和协议层的互联。
常见的USB控制的类型：
UHCI：大多是Intel和Via主板上的USB控制器芯片。都是USB1.1规格。
UHCI：大多是Intel和Via主板上的USB控制器芯片。都是USB1.1规格。
EHCI：是由Intel等几个厂商研发，兼容OHCI\UHCI，遵循USB2.0规范，同时兼容USB1.1。

3、每个USB Host控制器都会自带一个USB HUB，被称为根(Root)HUB。这个Hub可以接子HUB, 每子HUB上可以挂载多个USB设备。当USB设备拔插HUB，会发出电气信号（HUB内部D+\D-引脚1.5K下拉，设备为1.5K上拉，接入之后HUB内部D+\D-被拉高从而通知USB控制器）

USB设备逻辑结构

1、在USB设备的逻辑组织中，包含设备、配置、接口和端点4个层次。设备通常会有一个或多个配置，配置通常有一个或多个接口，接口或零或多个端点。

2、配置、接口、端点。
配置：体现出来是一种功能的集合。不同的配置市设备表现出不同的功能组合。在探测、连接期间需从其中选定一个。

接口：体现出来就是一种功能。而配置由多个接口（功能）组成，接口由多个端点组成，代表一个基本的功能。是USB设备驱动程序控制的对象。一个功能复杂的USB设备可以具有多个接口，而接口是端点的汇集。

端点：基本的通信单位，除了端点0之外是双向通讯，其它都是单向通信。可以理解为数据缓冲区。是USB设备中唯一可寻址的部分。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。主机和设备的通信最终作用于设备上的各个端点，它是主机和设备间通信流的一个逻辑终端。

3、地址、端点号

每个USB设备有一个唯一的地址、这个地址是在设备连上主机时，由主机分配给USB设备（整个主机范围，对应具体的USB设备，会写入USB设备）。而设备中的每个端点在设备内部有唯一的端点号，这个端点号是在设计设备时固定的（整个设备范围，对应具体端口）。

每个端点都是一个简单的连接点，支持数据流进或流出设备，两者不可兼得，即单向通信。

4、基于Pnp机制，设备被枚举时，它必须告诉主机此设备有几个端点，每个端点的特性，包括端口号、通信方向、端点支持的最大包大小（又称数据有效负载）、数据带宽要求等。每个设备必须有端点0，用于设备枚举和对设备进行一些基本的控制功能，即主机一开始与USB设备通讯时都会直接访问端点0（约定），其余的端点在设备配置（通过端点0）之前无法与主机通信（因为主机不知道端点的特性），只有通过端点0将这些端点特性告诉主机之后，主机才知道如何使用这些端点，这些端点才算被激活使用。

USB描述符

1、当我们把USB设备（如USB鼠标）接入到我们PC时，PC能够自动识别出我们的USB设备类型。这是因为USB主机检测到USB设备接入之后会主动通过USB设备的端点0取获取一组固定格式的数据，该数据包含了USB的类型、生产厂商等信息。这组固定格式的数据就称之为USB描述符。

2、标准的USB设备有5种USB设备描述符

a)设备描述符：

一个USB设备只能有一个设备描述符，但可包含多个配置描述符。

长度为18个字节。Table 9-8（262（290/650）页）。

b)配置描述符：

描述此设备都有哪些功能集合。一个配置描述符可以包含多个接口描述符。

长度为8个字节。Table 9-10（265 (293 / 650) 页）。

c)接口描述符：

描述一个具体的功能，该功能需要与主机通讯都要使用端点。

长度为8个字节。Table 9-12（268 (296 / 650) 页）。

d)端点描述符：

一个接口描述符使用了多少个端点就有多少个端点描述符。

长度为7个字节。 Table 9-13（269 (297 / 650) 页）。

e)字符串描述符：

用于设备、配置、接口描述符需要加入字符串信息（如厂家名称）的时候，可以使用此描述符，设备、配置、接口通过索引的方式找到指定的字符串描述符。

   

    参考：Universal+Serial+Bus+Specification+v2[1].0((USB+2.0).pdf

USB设备枚举

1、USB设备在正常工作以前，第一件事要做的事就是枚举。枚举是让HOST认得这个USB设备，并且为该设备准备好资源，如分配好地址、得到该设备所有端点特性。建立好主机和设备之间的数据传递机制。

2、USB标准的8个枚举步骤

a)获取设备描述符

b)复位

c)设置地址

d)再次获取设备描述符

e)获取配置描述符

f)获取接口、端点描述符

g)获取字符串描述符

h)选择设备配置   

   

3、获取设备描述符的数据包分析

第一个事务->请求包：

Packet1：Host发送一个SETUP命令，表示即将发送请求包

Packet2：Host发送了一个请求包，请求设备将其设备描述符发送过来

Packet3：Device 回送一个ACK 响应包，表示已经收到请求。

    第二事务->拿到设备描述符-描述信息

    Packet1：Host发送获取数据的命令给 Devices。

    Packet2：Devices 发送数据给 Host

    Packet3：Host 返回一个ACK表示Host收到的数据。

4、USB鼠标的整个枚举和通信的流程

鼠标是通过中断传输方式：（这里的中断并不是指硬件中断，只是一种USB的传输方式）

鼠标是通过中断传输方式：（这里的中断并不是指硬件中断，只是一种USB的传输方式）