USB協(xié)議架構(gòu)及驅(qū)動(dòng)架構(gòu)

1. USB協(xié)議

1.1 USB主機(jī)系統(tǒng)

在USB主機(jī)系統(tǒng)中，通過(guò)根集線器與外部USB從機(jī)設(shè)備相連的處理芯片，稱(chēng)為USB主機(jī)控制器。USB主機(jī)控制器包含硬件、軟件和固件一部分。

1.2 USB設(shè)備系統(tǒng)

USB設(shè)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(jī)通過(guò)根集線器連接到各種外圍設(shè)備(集線器和功能部件)。

1.3 主機(jī)和設(shè)備之間通信模型

主機(jī)與設(shè)備之間的通信模型

上圖展示了USB主機(jī)和USB設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程。在設(shè)備端，USB設(shè)備將非USB格式的數(shù)據(jù)進(jìn)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(guò)硬件處理、傳遞到物理層，由物理層通過(guò)PHY以數(shù)據(jù)流的形式傳輸?shù)街鳈C(jī)。

USB主機(jī)在USB設(shè)備和USB主機(jī)之間發(fā)起的傳輸過(guò)程，穩(wěn)為事務(wù)。每次事務(wù)以2到3個(gè)數(shù)據(jù)包的形式進(jìn)行USB總線傳輸。每個(gè)數(shù)據(jù)包包含2到3個(gè)步驟：
1) USB主機(jī)控制器向USB設(shè)備發(fā)出命令
2) USB控制器和USB設(shè)備之間傳遞讀寫(xiě)請(qǐng)求，其方向取決于第一部分的命令是讀還是寫(xiě)
3) 握手信號(hào)。
USB主機(jī)控制器向USB設(shè)備發(fā)送事務(wù)類(lèi)型請(qǐng)求，通過(guò)分組標(biāo)識(shí)符來(lái)進(jìn)行識(shí)別。

1.4 USB分組標(biāo)識(shí)

主機(jī)和設(shè)備之間進(jìn)行操作，通過(guò)分組標(biāo)識(shí)(PID)來(lái)進(jìn)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(yàn)碼組成。
常見(jiàn)的PID主要包括令牌、數(shù)據(jù)、握手等類(lèi)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(wú)論硬件還是軟件，都要對(duì)PID分組碼進(jìn)行分析，從而做出正確響應(yīng)。USB主機(jī)和設(shè)備嚴(yán)格按照PID分組碼信息進(jìn)行信息交互。

1.5 數(shù)據(jù)包傳輸模式

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

1.5.1 批量(Bulk)傳輸

作用：主要用于非實(shí)時(shí)性傳輸，數(shù)據(jù)包較大而延時(shí)要求較低。
特點(diǎn)：數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)備即可，采用批量傳輸模式的USB從機(jī)設(shè)備，如U盤(pán)
數(shù)據(jù)傳輸分三個(gè)階段：
a)令牌階段：主機(jī)發(fā)送請(qǐng)求，USB設(shè)備依據(jù)請(qǐng)求PID來(lái)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(lái)決定數(shù)據(jù)傳輸為DATA0或DATA1來(lái)進(jìn)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(hào)以表示接收成功；若為NAK，表示發(fā)送失敗；STALL表示不可預(yù)知的錯(cuò)誤

1.5.2 控制(Control)傳輸

作用：USB傳輸過(guò)程必須支持的傳輸模式。USB主機(jī)為了獲取設(shè)備描述符、ID、Product等信息，向USB設(shè)備發(fā)送相應(yīng)的PID命令。
特點(diǎn)：唯一可以進(jìn)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(jìn)行傳輸，這取決于設(shè)備的傳輸速度。
USB主機(jī)和設(shè)備之間必須支持控制傳輸，通過(guò)端點(diǎn)0進(jìn)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(wù)

作用：按照一定時(shí)刻輪詢(xún)?cè)O(shè)備是否有中斷傳輸請(qǐng)求
特點(diǎn)：查詢(xún)頻率取決于端點(diǎn)的模式結(jié)構(gòu)，從1到255ms不等
中斷傳輸主要用于實(shí)時(shí)性要求非常高的從機(jī)設(shè)備，如鍵盤(pán)操縱桿和Mouse等
傳輸過(guò)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(shè)備描述符
2) 配置描述符
3) 接口描述符
4) 端點(diǎn)描述符

其關(guān)系如下圖所示：

1.6.1 設(shè)備描述符

每個(gè)USB設(shè)備都有一個(gè)唯一的設(shè)備描述符，如下表所示：

1.6.2 配置描述符

每個(gè)USB設(shè)備都有默認(rèn)的配置描述符，支持至少一個(gè)接口，每個(gè)配置描述符如下表：

1.6.3 接口描述符

設(shè)備應(yīng)至少支持一個(gè)接口，如：塊傳輸數(shù)據(jù)接口，部分設(shè)備可能支持其它的接口。復(fù)合設(shè)備可以支持額外接口，以支持音頻和視頻功能。標(biāo)準(zhǔn)中并沒(méi)有定義此類(lèi)接口。接口可能有多個(gè)可選設(shè)置，主機(jī)將會(huì)檢查每個(gè)可選的設(shè)置。

1.6.4 端點(diǎn)描述符

每個(gè)設(shè)備至少支持控制端點(diǎn)0。USB設(shè)備應(yīng)該支持三類(lèi)端點(diǎn)：控制端點(diǎn)、輸入端點(diǎn)和輸出端點(diǎn)。

2. OTG協(xié)議

OTG設(shè)備采用Mini-AB插座，相對(duì)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(lèi)型。在OTG設(shè)備之間數(shù)據(jù)連接的過(guò)程中，通過(guò)OTG數(shù)據(jù)線Mini-A和Mini-B接口來(lái)確定OTG設(shè)備的主從：接入Mini-A接口的設(shè)備默認(rèn)為A設(shè)備(主機(jī)設(shè)備)；接入Mini-B接口的設(shè)備，默認(rèn)為B設(shè)備(從設(shè)備)。

A設(shè)備和B設(shè)備無(wú)需交換電纜接口，即可通過(guò)主機(jī)交換協(xié)議(HNP)實(shí)現(xiàn)A、B設(shè)備之間的角色互換。同時(shí)，為了節(jié)省電源，OTG允許總線空閑時(shí)A設(shè)備判斷電源。此時(shí)，若B設(shè)備希望使用總線，可以通過(guò)會(huì)話請(qǐng)求協(xié)議(SRP)請(qǐng)求A設(shè)備提供電源。

2.1 HNP(主機(jī)交換)協(xié)議

當(dāng)Mini-A接口接入A設(shè)備并確定A設(shè)備為主機(jī)時(shí)；若B設(shè)備希望成為主機(jī)，則A設(shè)備向B設(shè)備發(fā)送SetFeature命令，允許B設(shè)備進(jìn)行主機(jī)交換。B設(shè)備檢測(cè)到總線掛起5ms后，即掛起D+并啟動(dòng)HNP，使總線處于SE0狀態(tài)。此時(shí)A設(shè)備檢測(cè)到總線處于SE0狀態(tài)，即認(rèn)為B設(shè)備發(fā)起主機(jī)交換，A設(shè)備進(jìn)行響應(yīng)。待B設(shè)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(shè)備識(shí)別了B設(shè)備的HNP請(qǐng)求。B設(shè)備開(kāi)始總線復(fù)位并具有總線控制權(quán)，主機(jī)交換協(xié)議完成。

2.2 SRP(會(huì)話請(qǐng)求)協(xié)議

對(duì)于主機(jī)，要求能響應(yīng)會(huì)話請(qǐng)求；對(duì)于設(shè)備，僅要求能夠發(fā)起SRP協(xié)議。OTG設(shè)備，不僅要求發(fā)起SRP，而且還能響應(yīng)SRP請(qǐng)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(shè)備發(fā)起SRP必須滿(mǎn)足以下兩個(gè)條件：
1) B設(shè)備檢測(cè)到A設(shè)備低于其有效的電壓閾值，同時(shí)B設(shè)備低于有效的電壓閾值。
2) B設(shè)備必須檢測(cè)到D+和D-數(shù)據(jù)線至少在2ms的時(shí)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(huì)話請(qǐng)求：B設(shè)備必須等到滿(mǎn)足以上兩個(gè)條件后，將數(shù)據(jù)線接入上拉電阻一定的時(shí)間，以備A設(shè)備過(guò)濾數(shù)據(jù)線上的瞬間電壓。與此同時(shí)，B設(shè)備上拉D+以便于在全速模式下進(jìn)行初始化操作。A設(shè)備在檢測(cè)到D+變?yōu)楦唠娖交駾-變?yōu)榈碗娖綍r(shí)產(chǎn)生SRP指示信號(hào)。

Vbus脈沖調(diào)制會(huì)話請(qǐng)求：B設(shè)備同樣需等待滿(mǎn)足上述兩個(gè)初始化條件，然后B設(shè)備通過(guò)對(duì)電容充電以提高總線電壓，待達(dá)到總線上的電壓閾值，喚醒A設(shè)備。在充電過(guò)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(shè)備。

3. USB驅(qū)動(dòng)架構(gòu)

USB驅(qū)動(dòng)架構(gòu)如下圖所示：

3.1 USB主機(jī)端驅(qū)動(dòng)

USB核心(USBD)是整個(gè)USB驅(qū)動(dòng)的核心部分，從上圖可知，一方面USBD對(duì)接收到USB主機(jī)控制器的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并傳遞給上層的設(shè)備端驅(qū)動(dòng)軟件；同時(shí)也接收來(lái)自上層的非USB格式數(shù)據(jù)流，進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理后傳遞給USB主機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)。