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Linux驱动学习日记(30) USB 设备学习(1)

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硬件框架

  在嵌入式设备中，有一个 USB 控制器，其通过四根线与外部设备（D+,D-,5V,GND）相连。在 USB 系统中有两个硬件概念：

  • USB Host：与处理器连接，处理器通过 USB Host 与各类 USB 设备进行通信，其内部集成有一个 root hub。
  • USB Device：分为两类，Hub 用来扩展 USB 接口，Function 就是普通的 USB 设备，比如 U 盘、声卡等等。
图 1 USB硬件模型

USB 电气信号

  对于 USB2.0 协议，其支持 3 种速率：低速（1.5Mbps）、全速（12Mbps）、高速（480Mbps）。USB Hub、USB 设备也分为低速、全速、高速三种类。型。

低速/全速信号电平

  USB 使用差分信号 D+ / D-，但实际上是单端驱动 + 差分检测。其表格如下

图 2 电子信号表

  对于低速和全速设备，J 信号和 K 信号是反过来的。

设备的连接与断开

  Hub 端口的 D+、D- 都会有 15K 的下拉电阻，平时为低电平。全速设备内部的 D+ 有 1.5K 的上拉电阻，低速设备内部的 D- 有 15K 的上拉电阻，连接到 Hub 后会导致 Hub 的 D+ 或 D- 电平变化，Hub 根据变化的引脚来分辨接进来的是什么设备。

  告诉设备首先作为全速设备被识别出来，然后 Hub 端口会发出 SE- 信号，当告诉设备收到信号后，会返回一个序列表示自己能支持高速模式，接下来此设备就会工作在高速模式。

USB 协议层数据格式

  在 USB 传输协议中先传输最低位(LSB)。在后续文档中，描述数据时按照传输顺序从左到右列出来。

图 3 包格式

包格式

PID 域

  注意：所有的USB文档提到的”输入”、”输出”，都是基于 Host 的角度，”输出”表示从 Host 输出到设备，”输入”表示 Host 从设备得到数据。

  根据包数据里的 PID 的 bit1、0可以将 USB 包分为四类

  • 令牌包(Token)：01B
  • 数据包(Data)：11B
  • 握手包(Handshake)：10B
  • 特殊包(Special)：00B

  PID 有 4 位，接下来使用 bit3,bit2 进一步细分，如下表

图 3 PID分类

  在USB包中，PID域使用8位来表示，格式如下：

图 4 PID域

  前4位表示 PID，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。

令牌包

  令牌类的 PID 起通知作用，SOF 令牌包被用来通知所有设备，OUT/IN/SETUP 令牌包被用来通知某个设备。对于 OUT/IN/SETUP 令牌包，其格式如下：

图 5 令牌包格式

  USB 设备的地址有 7 位，端点号有 4 位。

数据包

  Host 使用 OUT、IN、SETUP 来通知设备即将传输数据。数据包也有四种类型 DATA0、DATA1、DATA2、MDATA，其中 DATA2 和 MDATA 用于高速设备。

  引入 DATA0、DATA1 这些不同类型的数据包是为了纠错。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。比如：
  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。
  数据包格式如下，对于全速设备，数据包中的数据做大是1024字节。

图 6 数据包格式

握手包

  握手包有四类：ACK、NAK、STALL、NYET，其作用如下：

  • 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(不支持该断点等待)、断点已经挂起。设备返回 STALL 后，需要主机进行干预才能接触 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。

传输细节

传输与事务

  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的。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。
  一共有四类事务：

  • 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，时效性有保证。
  • 建立事务：根批量事务类似。

  有四类传输

  • 批量传输：就是使用批量事务实现数据传输，比如 U 盘。
  • 实时传输：就是使用中断事务实现数据传输，比如鼠标。
  • 中断传输：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 USB 设备都必须支持控制传输，用于识别、枚举

  Bit -> 域 -> 包 -> 事务 -> 传输

过程和阶段

  比如如 Host 要发送数据给设备，这就会涉及很多个包：OUT、DATA0、ACK 等等。这个完整的事务涉及三个包，于是被分为三个阶段：

  • 令牌阶段
  • 数据阶段
  • 握手阶段

  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。
  综上所述：控制传输由多个过程(stage)组成，每个过程由一个事务来实现，每个事务由多个阶段(phase)组成，每个阶段有一个包来实现。