USB協(xié)議架構及驅(qū)動架構

1. USB協(xié)議

1.1 USB主機系統(tǒng)

在USB主機系統(tǒng)中，通過根集線器與外部USB從機設備相連的處理芯片，稱為USB主機控制器。USB主機控制器包含硬件、軟件和固件一部分。

1.2 USB設備系統(tǒng)

USB設備按功能分為兩部分：集線器(Hub)和功能部件。從下圖可知，主機通過根集線器連接到各種外圍設備(集線器和功能部件)。

1.3 主機和設備之間通信模型

主機與設備之間的通信模型

上圖展示了USB主機和USB設備之間的數(shù)據(jù)傳輸過程。在設備端，USB設備將非USB格式的數(shù)據(jù)進行打包處理，轉(zhuǎn)換成USB格式的數(shù)據(jù)包，然后傳遞到鏈路層，經(jīng)過硬件處理、傳遞到物理層，由物理層通過PHY以數(shù)據(jù)流的形式傳輸?shù)街鳈C。

USB主機在USB設備和USB主機之間發(fā)起的傳輸過程，穩(wěn)為事務。每次事務以2到3個數(shù)據(jù)包的形式進行USB總線傳輸。每個數(shù)據(jù)包包含2到3個步驟：
1) USB主機控制器向USB設備發(fā)出命令
2) USB控制器和USB設備之間傳遞讀寫請求，其方向取決于第一部分的命令是讀還是寫
3) 握手信號。
USB主機控制器向USB設備發(fā)送事務類型請求，通過分組標識符來進行識別。

1.4 USB分組標識

主機和設備之間進行操作，通過分組標識(PID)來進行傳輸。數(shù)據(jù)包傳輸格式一般由：PID、數(shù)據(jù)/控制信息、CRC校驗碼組成。
常見的PID主要包括令牌、數(shù)據(jù)、握手等類型組成。PID碼以特定的方式組成，如下表所示：

PID分組碼是數(shù)據(jù)傳輸流程中的重要元素。無論硬件還是軟件，都要對PID分組碼進行分析，從而做出正確響應。USB主機和設備嚴格按照PID分組碼信息進行信息交互。

1.5 數(shù)據(jù)包傳輸模式

當USB設備連接到集線器，集線器狀態(tài)將發(fā)生相應的變化，并將狀態(tài)變化信息傳遞給USB主機。USB主機通過根集線器向USB設備發(fā)送命令，獲取USB設備的各種信息，包含USB設備傳輸類型、ID號、Product、USB速度等信息。
USB主機和USB設備之間的數(shù)據(jù)傳輸共有四種類型：控制傳輸、批量傳輸、中斷傳輸和同頻傳輸。與之對應，USB主機和USB設備之間有四種事務：控制事務、批量事務、中斷事務和同步事務。

1.5.1 批量(Bulk)傳輸

作用：主要用于非實時性傳輸，數(shù)據(jù)包較大而延時要求較低。
特點：數(shù)據(jù)傳輸準備即可，采用批量傳輸模式的USB從機設備，如U盤
數(shù)據(jù)傳輸分三個階段：
a)令牌階段：主機發(fā)送請求，USB設備依據(jù)請求PID來判斷IN或OUT傳輸
b)數(shù)據(jù)傳輸階段：依據(jù)令牌階段的IN或OUT傳輸，來決定數(shù)據(jù)傳輸為DATA0或DATA1來進行數(shù)據(jù)傳輸
c)握手階段：接收信息的一方發(fā)送ACK信號以表示接收成功；若為NAK，表示發(fā)送失?。籗TALL表示不可預知的錯誤

1.5.2 控制(Control)傳輸

作用：USB傳輸過程必須支持的傳輸模式。USB主機為了獲取設備描述符、ID、Product等信息，向USB設備發(fā)送相應的PID命令。
特點：唯一可以進行IN/OUT傳輸?shù)膫鬏斈Ｊ健?br />數(shù)據(jù)寬度：控制傳輸方式可以以8、16、32或64字節(jié)的數(shù)據(jù)進行傳輸，這取決于設備的傳輸速度。
USB主機和設備之間必須支持控制傳輸，通過端點0進行數(shù)據(jù)傳輸?？刂苽鬏敺譃榱钆?、數(shù)據(jù)傳輸和握手階段。

1.5.3 中斷傳輸事務

作用：按照一定時刻輪詢設備是否有中斷傳輸請求
特點：查詢頻率取決于端點的模式結構，從1到255ms不等
中斷傳輸主要用于實時性要求非常高的從機設備，如鍵盤操縱桿和Mouse等
傳輸過程也分為令牌階段、數(shù)據(jù)傳輸和握手階段

1.6 USB描述符

USB協(xié)議中共定義了以下四種描述符：
1) 設備描述符
2) 配置描述符
3) 接口描述符
4) 端點描述符

其關系如下圖所示：

1.6.1 設備描述符

每個USB設備都有一個唯一的設備描述符，如下表所示：

1.6.2 配置描述符

每個USB設備都有默認的配置描述符，支持至少一個接口，每個配置描述符如下表：

1.6.3 接口描述符

設備應至少支持一個接口，如：塊傳輸數(shù)據(jù)接口，部分設備可能支持其它的接口。復合設備可以支持額外接口，以支持音頻和視頻功能。標準中并沒有定義此類接口。接口可能有多個可選設置，主機將會檢查每個可選的設置。

1.6.4 端點描述符

每個設備至少支持控制端點0。USB設備應該支持三類端點：控制端點、輸入端點和輸出端點。

2. OTG協(xié)議

OTG設備采用Mini-AB插座，相對于傳統(tǒng)的USB數(shù)據(jù)線，Mini-AB接口多了一根數(shù)據(jù)線ID，ID線是否接入將Mini-AB接口分為Mini-A和Mini-B接口兩種類型。在OTG設備之間數(shù)據(jù)連接的過程中，通過OTG數(shù)據(jù)線Mini-A和Mini-B接口來確定OTG設備的主從：接入Mini-A接口的設備默認為A設備(主機設備)；接入Mini-B接口的設備，默認為B設備(從設備)。

A設備和B設備無需交換電纜接口，即可通過主機交換協(xié)議(HNP)實現(xiàn)A、B設備之間的角色互換。同時，為了節(jié)省電源，OTG允許總線空閑時A設備判斷電源。此時，若B設備希望使用總線，可以通過會話請求協(xié)議(SRP)請求A設備提供電源。

2.1 HNP(主機交換)協(xié)議

當Mini-A接口接入A設備并確定A設備為主機時；若B設備希望成為主機，則A設備向B設備發(fā)送SetFeature命令，允許B設備進行主機交換。B設備檢測到總線掛起5ms后，即掛起D+并啟動HNP，使總線處于SE0狀態(tài)。此時A設備檢測到總線處于SE0狀態(tài)，即認為B設備發(fā)起主機交換，A設備進行響應。待B設備發(fā)現(xiàn)D+線為高電平而D-線為低電平(J狀態(tài))，表示A設備識別了B設備的HNP請求。B設備開始總線復位并具有總線控制權，主機交換協(xié)議完成。

2.2 SRP(會話請求)協(xié)議

對于主機，要求能響應會話請求；對于設備，僅要求能夠發(fā)起SRP協(xié)議。OTG設備，不僅要求發(fā)起SRP，而且還能響應SRP請求。
SRP分為數(shù)據(jù)線脈沖調(diào)制和電壓脈沖調(diào)兩種方式，B設備發(fā)起SRP必須滿足以下兩個條件：
1) B設備檢測到A設備低于其有效的電壓閾值，同時B設備低于有效的電壓閾值。
2) B設備必須檢測到D+和D-數(shù)據(jù)線至少在2ms的時間內(nèi)低于有效閾值，即處于SE0狀態(tài)。

數(shù)據(jù)線脈沖調(diào)制會話請求：B設備必須等到滿足以上兩個條件后，將數(shù)據(jù)線接入上拉電阻一定的時間，以備A設備過濾數(shù)據(jù)線上的瞬間電壓。與此同時，B設備上拉D+以便于在全速模式下進行初始化操作。A設備在檢測到D+變?yōu)楦唠娖交駾-變?yōu)榈碗娖綍r產(chǎn)生SRP指示信號。

Vbus脈沖調(diào)制會話請求：B設備同樣需等待滿足上述兩個初始化條件，然后B設備通過對電容充電以提高總線電壓，待達到總線上的電壓閾值，喚醒A設備。在充電過程中，一定要保證充電的電壓峰值在一定的范圍以避免燒壞A設備。

3. USB驅(qū)動架構

USB驅(qū)動架構如下圖所示：

3.1 USB主機端驅(qū)動

USB核心(USBD)是整個USB驅(qū)動的核心部分，從上圖可知，一方面USBD對接收到USB主機控制器的數(shù)據(jù)進行處理，并傳遞給上層的設備端驅(qū)動軟件；同時也接收來自上層的非USB格式數(shù)據(jù)流，進行相應的數(shù)據(jù)處理后傳遞給USB主機控制器驅(qū)動。