USB總線協(xié)議基礎知識

但是usb的接口協(xié)議實在有點費解，linux uhci驅動作者之一Alan Stern曾經(jīng)就說過“The USB documentation

is downright evil. Mostof it is just crap, written by a committee. Youre better off ignoring

mostof it ”。

本文將從整體上介紹usb協(xié)議，包括usb host ,usb hub,usb function。希望能給讀者一個總體上的了解。也

因此，文章將分成相應的三部分講解。

一。usb function

1。初識usb.usb是一種串行接口協(xié)議，它靠d+,d-兩條數(shù)據(jù)線構成的差分線來進行數(shù)據(jù)傳輸，這讓我們非常感興

趣它到底和我們通常熟悉兩線rs232/485有何區(qū)別。了解這種區(qū)別有助于我們對usb作一個深入的了解。那么讓

我們回想一下到底一個兩線rs232的數(shù)據(jù)是如何傳送的，如圖一：

在這里我們的重點在于，我們發(fā)現(xiàn)要在串行口傳送數(shù)據(jù)一個最體碼的要求恐怕就是：要知道數(shù)據(jù)傳輸何時開始，

何時結束。即如何delimit.那么rs232怎么做的。顯然，在idle（空閑）時，即無數(shù)據(jù)傳送時，數(shù)據(jù)線處于高電

平，等到有數(shù)據(jù)開始傳送，發(fā)送方首先拉低數(shù)據(jù)線（start)，表示數(shù)據(jù)傳輸開始，接受端也因為這個“start”信號

開始準備接受即將到來的數(shù)據(jù)，類似一次握手，隨后，在兩者之間的數(shù)據(jù)傳送開始，結束后主方再次拉高數(shù)據(jù)

線，表示結束傳輸，自此兩者重新進入Idle狀態(tài)。等待下一輪傳送開始。

了解了rs232,那么我們自然想到usb如何做到這個呢，既然是串行位流傳輸，也理所當然的解決這個問題。沒錯，

Usb協(xié)議必然要解決這個問題，讓我們作一個類似rs232的比較吧！類似于rs232,usb的傳輸楨如圖二：

（這里我們暫時忽略這個傳輸所代表的意義）為了說明問題，我們對一些問題簡化，我們定義這樣幾個狀態(tài)：
假設D+,D-分別表示usb信號線的電平信號。那么對于usb full speed function(high speed ,low speed是不

同的),我們定義差分數(shù)據(jù)線上可能出現(xiàn)的四個狀態(tài)：

Data J state:D+=1，D-=0；
Data K state:D+=0，D-=1；
SE0：D+=D-=0;
SE1：D+=D-=1;

那么上面的圖中，相應的也可表示為圖三：

這個對usb full speed function來說，idle狀態(tài)將處于Data J state，se0表示一楨結束?？催@個圖是不是很像

我們熟悉的rs232。沒錯?。?！他們確實很相似。在無數(shù)據(jù)傳輸時，它們都處于Idle狀態(tài)，當要開始傳輸數(shù)據(jù)時，

先發(fā)一個sync(同步信號，rs232為start,usb為一sync字節(jié)，見協(xié)議說明）信號進行“握手”，而后開始傳輸，

當傳輸要結束時，發(fā)一stop信號（usb為一個se0狀態(tài)表示要結束傳輸），最后又進入idle態(tài)等待新的傳輸。不過，

你可能更加注意到，他們還是不同的。不同在于usb是按packet進行傳輸?shù)?，就是說它傳輸?shù)淖钚挝皇莗acket，

而rs232是按字節(jié)傳送的，也即它的最小傳送單位是字節(jié)。既然是按pakcet傳送，想想我們相較于rs232的按字節(jié)

單位傳輸，我們可以得到哪些“好處”。想想看，pakcet的好處不就在于我們可以靈活的定義數(shù)據(jù)的傳送格式，

傳送方式，從而可以適應各種各樣的串行設備，這不就是所謂的“通用串行總線”嗎？

簡介：從本節(jié)開始，我們將介紹usb的傳輸機制。這節(jié)先介紹usb現(xiàn)有傳輸方式的背景知識，做為對下節(jié)將要展開

的四種傳輸類型，描述符，等相關知識的一個導引。

2。usb傳輸。
我們在上一節(jié)中了解到了usb的“packet”的感念，了解到了usb傳送一個packet總是以sync開始，以eop結束，

這個稱為delimiter,即標記packet的始末。有了packet，我們就可以在usb總線上傳輸數(shù)據(jù)了。但是這還不夠，

比如數(shù)據(jù)傳送方向，即傳回usb主機還是傳下usb從機，數(shù)據(jù)傳送的地址，數(shù)據(jù)傳送的類型（這些后面我們將會知

道）這些信息在傳輸之前是必須搞清楚的，那么這個信息如何得知呢，看來這就需要我們定一套基于packet的

“協(xié)議”了。主機與從機在傳輸中均遵循這套“協(xié)議”，那么這些問題就可以迎刃而解。事實上，usb的一次數(shù)

據(jù)傳輸總是遵循這樣的“協(xié)議”的:

首先，主機發(fā)第1個packet給從機，聲明數(shù)據(jù)傳送方向，數(shù)據(jù)傳輸?shù)刂?，?shù)據(jù)傳輸類型。

其次，主機發(fā)第2個至第n個packet載有實際數(shù)據(jù)
最后，從機返回一個packet是一個ACK包，報告數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕Y果，比如接受出錯或成功等信息，這樣主機

就可以借此了解到這次傳輸情況，從而有可能來作出相應措施如決定是否重發(fā)。

這里我們考慮的是主機發(fā)數(shù)據(jù)給從機的情況，那么從機發(fā)數(shù)據(jù)給主機時，是不是也可以這樣呢？當然可以，比如

從機要發(fā)數(shù)據(jù)給主機時，也可以采取同主機類似的方式：

首先，從機發(fā)第1個packet給主機，聲明數(shù)據(jù)傳送方向，數(shù)據(jù)傳輸?shù)刂?，?shù)據(jù)傳輸類型。
其次，從機發(fā)第2個至第n個packet載有實際數(shù)據(jù)
最后，主機返回一個packet是一個ACK包，報告數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕Y果，比如接受出錯或成功等信息，這樣從機就可以

借此了解到這次傳輸情況，從而有可能來作出相應措施如決定是否重發(fā)。

基本上可以歸結為一個“三段式”傳輸

這里有人可能注意到了，對這樣一個傳輸機制，從機和主機的功能將是一樣的，因為這樣的實現(xiàn)機制，從機

可能在某一時刻是主機，某一時刻又可能是從機，因為他們要實現(xiàn)同樣的功能。這樣實現(xiàn)起來的復雜性也將是

一樣的。

注：這里概念或許容易混淆，其實，我們這里的主機(master)和從機(slaver)是一個transceiver,即可收可發(fā)。

相應的，在某一時刻，master在發(fā)數(shù)據(jù)，我們稱其為transmitter,在接受時我們稱為receiver.對slaver同樣。

我們可能還注意到了,usb這種按pakcet傳輸?shù)姆绞皆趯崿F(xiàn)時已經(jīng)很復雜了（至少比rs232要復雜多吧），至少我

們目前看來主從機功能一樣這樣的實現(xiàn)方式似乎還是可行，但是后面我們談到usb host時將會了解到host的功

能是如何的復雜，以至于讓一個usb function 也帶上如此的功能成本和實現(xiàn)復雜性將陡然上升。作為面向廣范

應用的usb，這是我們不允許的。我們期望的是一個使用usb 的udisk,使用usb的光驅，使用usb的耳麥等等這些

東西不要因為usb而變得昂貴，復雜。

正是因為這個原因，usb從機的傳輸發(fā)式便由上面的方式改成了下面的方式進行：

首先，主機發(fā)第1個packet給從機，聲明數(shù)據(jù)傳送方向，數(shù)據(jù)傳輸?shù)刂?，?shù)據(jù)傳輸類型。
其次，從機收到主機送來的第一個packet后，再發(fā)第2個至第n個packet載有實際數(shù)據(jù)
最后，主機返回一個packet是一個ACK包，報告數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕Y果，比如接受出錯或成功等信息，這樣從機

就可以借此了解到這次傳輸情況，從而有可能來作出相應措施如決定是否重發(fā)。

而對于usb 主機傳輸方式保持不變。

對于這樣的改變，我們馬上就有疑問了：這個改變的傳輸方式是和未改變之前的等價嗎。當然，不全等價。問題

在哪里？仔細觀察一下便知，兩者區(qū)別在于第一個packet是由誰發(fā)起的。未改變之前，第一個packet總是由要傳

送數(shù)據(jù)的一方發(fā)起，而改變之后的第一個Packet總是由主機發(fā)起。這樣，就變成如果從機要發(fā)送數(shù)據(jù)給主機時，

總是由主機發(fā)起（第一個packet),然后從機開始傳送。
可能初次接觸我們會感覺怪怪的，怎么從機要給主機發(fā)送數(shù)據(jù)前反而要主機先發(fā)packet給從機。 這樣行嗎？

我們要說這樣是可以的，因為通常一次傳輸交互的產(chǎn)生，并非無來由的產(chǎn)生，這些都是由程序員控制的，控制usb

何時收，何時發(fā)，及發(fā)給誰！?。?/p>

這里我們就注意到了，usb function(總是作為從機）的功能一下從原來與主機具有相同功能的tranceiver變成

了現(xiàn)在僅具發(fā)送（或接收）功能的transmitter（或Receiver）實現(xiàn)的復雜性及成本可想而知也就相應得減小了。

簡介：本節(jié)介紹usb full speed function的四種傳輸類型。

上節(jié)中我們了解到了usb host與usb function之間采用的是一種“非對稱”的傳輸，也就是說，無論usb接受

數(shù)據(jù)還是發(fā)送數(shù)據(jù)，都是由usb host首先發(fā)起。即傳輸?shù)牡谝粋€packet總是由usb host發(fā)出的。這個packet將聲

明本次即將進行的數(shù)據(jù)傳輸方向，數(shù)據(jù)傳輸?shù)刂泛蛿?shù)據(jù)傳輸類型。