(完整word版)通俗易懂的USB协议详解(转载)

Usb详解USB作为一种串行接口，应用日益广泛。

如同每个工程设计人员必须掌握I2C,RS232这些接口一样，我们也必须掌握usb.但是usb的接口协议实在有点费解，linux uhci驱动作者之一Alan Stern曾经就说过“The USB documentationis downright evil. Most of it is just crap, written by a committee. You're better off ignoringmost of it ”。

本文将从整体上介绍usb协议，包括usb host ,usb hub,usb function。

希望能给读者一个总体上的了解。

也因此，文章将分成相应的三部分讲解。

一。

usb function1。

初识b是一种串行接口协议，它靠d+,d-两条数据线构成的差分线来进行数据传输，这让我们非常感兴趣它到底和我们通常熟悉两线rs232/485有何区别。

了解这种区别有助于我们对usb作一个深入的了解。

那么让我们回想一下到底一个两线rs232的数据是如何传送的，如图一：在这里我们的重点在于，我们发现要在串行口传送数据一个最体码的要求恐怕就是：要知道数据传输何时开始，何时结束。

即如何delimit.那么rs232怎么做的。

显然，在idle（空闲）时，即无数据传送时，数据线处于高电平，等到有数据开始传送，发送方首先拉低数据线（start)，表示数据传输开始，接受端也因为这个“start”信号开始准备接受即将到来的数据，类似一次握手，随后，在两者之间的数据传送开始，结束后主方再次拉高数据线，表示结束传输，自此两者重新进入Idle状态。

等待下一轮传送开始。

了解了rs232,那么我们自然想到usb如何做到这个呢，既然是串行位流传输，也理所当然的解决这个问题。

没错，Usb协议必然要解决这个问题，让我们作一个类似rs232的比较吧！类似于rs232,usb的传输桢如图二：（这里我们暂时忽略这个传输所代表的意义）为了说明问题，我们对一些问题简化，我们定义这样几个状态：假设D+,D-分别表示usb信号线的电平信号。

那么对于usb full speed function(high speed ,low speed是不同的),我们定义差分数据线上可能出现的四个状态：Data J state:D+=1，D-=0；Data K state:D+=0，D-=1；SE0：D+=D-=0;SE1：D+=D-=1;那么上面的图中，相应的也可表示为图三：这个对usb full speed function来说，idle状态将处于Data J state，se0表示一桢结束。

看这个图是不是很像我们熟悉的rs232。

没错！！！他们确实很相似。

在无数据传输时，它们都处于Idle状态，当要开始传输数据时，先发一个sync(同步信号，rs232为start,usb为一sync字节，见协议说明）信号进行“握手”，而后开始传输，当传输要结束时，发一stop信号（usb为一个se0状态表示要结束传输），最后又进入idle态等待新的传输。

不过，你可能更加注意到，他们还是不同的。

不同在于usb是按packet进行传输的，就是说它传输的最小单位是packet，而rs232是按字节传送的，也即它的最小传送单位是字节。

既然是按pakcet传送，想想我们相较于rs232的按字节单位传输，我们可以得到哪些“好处”。

想想看，pakcet的好处不就在于我们可以灵活的定义数据的传送格式，传送方式，从而可以适应各种各样的串行设备，这不就是所谓的“通用串行总线”吗？简介：从本节开始，我们将介绍usb的传输机制。

这节先介绍usb现有传输方式的背景知识，做为对下节将要展开的四种传输类型，描述符，等相关知识的一个导引。

2。

usb传输。

我们在上一节中了解到了usb的“packet”的感念，了解到了usb传送一个packet总是以sync开始，以eop 结束，这个称为delimiter,即标记packet的始末。

有了packet，我们就可以在usb总线上传输数据了。

但是这还不够，比如数据传送方向，即传回usb主机还是传下usb从机，数据传送的地址，数据传送的类型（这些后面我们将会知道）这些信息在传输之前是必须搞清楚的，那么这个信息如何得知呢，看来这就需要我们定一套基于packet 的“协议”了。

主机与从机在传输中均遵循这套“协议”，那么这些问题就可以迎刃而解。

事实上，usb的一次数据传输总是遵循这样的“协议”的:首先，主机发第1个packet给从机，声明数据传送方向，数据传输地址，数据传输类型。

其次，主机发第2个至第n个packet载有实际数据最后，从机返回一个packet是一个ACK包，报告数据传输的结果，比如接受出错或成功等信息，这样主机就可以借此了解到这次传输情况，从而有可能来作出相应措施如决定是否重发。

这里我们考虑的是主机发数据给从机的情况，那么从机发数据给主机时，是不是也可以这样呢？当然可以，比如从机要发数据给主机时，也可以采取同主机类似的方式：首先，从机发第1个packet给主机，声明数据传送方向，数据传输地址，数据传输类型。

其次，从机发第2个至第n个packet载有实际数据最后，主机返回一个packet是一个ACK包，报告数据传输的结果，比如接受出错或成功等信息，这样从机就可以借此了解到这次传输情况，从而有可能来作出相应措施如决定是否重发。

基本上可以归结为一个“三段式”传输这里有人可能注意到了，对这样一个传输机制，从机和主机的功能将是一样的，因为这样的实现机制，从机可能在某一时刻是主机，某一时刻又可能是从机，因为他们要实现同样的功能。

这样实现起来的复杂性也将是一样的。

注：这里概念或许容易混淆，其实，我们这里的主机(master)和从机(slaver)是一个transceiver,即可收可发。

相应的，在某一时刻，master在发数据，我们称其为transmitter,在接受时我们称为receiver.对slaver同样。

我们可能还注意到了,usb这种按pakcet传输的方式在实现时已经很复杂了（至少比rs232要复杂多吧），至少我们目前看来主从机功能一样这样的实现方式似乎还是可行，但是后面我们谈到usb host时将会了解到host 的功能是如何的复杂，以至于让一个usb function 也带上如此的功能成本和实现复杂性将陡然上升。

作为面向广范应用的usb，这是我们不允许的。

我们期望的是一个使用usb 的udisk,使用usb的光驱，使用usb的耳麦等等这些东西不要因为usb而变得昂贵，复杂。

正是因为这个原因，usb从机的传输发式便由上面的方式改成了下面的方式进行：首先，主机发第1个packet给从机，声明数据传送方向，数据传输地址，数据传输类型。

其次，从机收到主机送来的第一个packet后，再发第2个至第n个packet载有实际数据最后，主机返回一个packet是一个ACK包，报告数据传输的结果，比如接受出错或成功等信息，这样从机就可以借此了解到这次传输情况，从而有可能来作出相应措施如决定是否重发。

而对于usb 主机传输方式保持不变。

对于这样的改变，我们马上就有疑问了：这个改变的传输方式是和未改变之前的等价吗。

当然，不全等价。

问题在哪里？仔细观察一下便知，两者区别在于第一个packet是由谁发起的。

未改变之前，第一个packet总是由要传送数据的一方发起，而改变之后的第一个Packet总是由主机发起。

这样，就变成如果从机要发送数据给主机时，总是由主机发起（第一个packet),然后从机开始传送。

可能初次接触我们会感觉怪怪的，怎么从机要给主机发送数据前反而要主机先发packet给从机。

这样行吗？我们要说这样是可以的，因为通常一次传输交互的产生，并非无来由的产生，这些都是由程序员控制的，控制usb何时收，何时发，及发给谁！！！这里我们就注意到了，usb function(总是作为从机）的功能一下从原来与主机具有相同功能的tranceiver变成了现在仅具发送（或接收）功能的transmitter（或Receiver）实现的复杂性及成本可想而知也就相应得减小了。

简介：本节介绍usb full speed function的四种传输类型。

上节中我们了解到了usb host与usb function之间采用的是一种“非对称”的传输，也就是说，无论usb接受数据还是发送数据，都是由usb host首先发起。

即传输的第一个packet总是由usb host发出的。

这个packet 将声明本次即将进行的数据传输方向，数据传输地址和数据传输类型。

控制传输（Control Transfers): 或许你已经注意到了，一个usb host端口并不是仅仅支持一个Usb function.如图1，通过usb hub,一个usb host端口可以连接usb鼠标，usb键盘，Usb写字板......。

要连接这么多东西在同一个usb host上，我们通常会有一个基本问题，即usb host如何识别这些被连接在它的端口上的设备呢。

正如通常的主从式通讯系统一样，如rs485多机通讯,我们通常是用一个特定的地址标志每一个从设备。

对这里的usb,我们采用同样的方法，将为每个挂接在该usb host上的usb function指定一个特定地址，通过这个特定地址来识别每个usb function.看来这将是一个usb function在数据传输之前必须解决的问题--得到它的地址分配。

这个“地址指定”的过程需要usb host通知usb function才能完成，这个交互过程就是一个控制式传输。

通过这个“控制式传输”，usb host将指定地址给usb function ,以为即将进行的正式通讯做好准备工作。

这里细心的读者可能已经注意到了，既然usb host总要分配地址给usb function才能进行正式的数据传输工作，那么usb host将如何与一个初始时未分配地址的usb function进行交互来分配地址呢。

这里，是这样解决的：usb协议保留了一个“通用地址”0,usb host 通过这个地址0来和初始未分配地址的usb function进行通讯，进行一些初始的准备工作，诸如这里的为它非配一个特定地址。

后面我们就会了解到，usb除了配置地址外，还有一些其它参数需要事先主从双方达成共识。

这些参数也都是通过控制式传输完成的。

一个Usb 的控制式传输如图二：一个Usb的控制式传输分为两个或三个阶段进行传输：setup stage,data stage（视情况而定）,status stage。