USB原理：从零基础入门到放弃
USB原理：从零基础入门到放弃
从零基础到开发USB设备，需要经历怎样的过程？本文将带你从USB设备接入主机开始，逐步了解USB通信过程、设备属性以及枚举过程等核心概念。本文提供一种自上而下的学习过程，帮助读者建立完整的USB知识体系架构认知。
理论学习
本章将由浅入深介绍USB原理，逐步解释以下问题：
- USB设备接入主机后经历了哪些过程
- USB设备和主机之间如何通信
- 如何区分不同类型的USB设备
- 主机认识USB设备的具体过程
另外，下文将用主机/从机统一描述USB主机和USB设备：
- 主机：USB主机（Win/Android/Mac等）
- 从机：USB设备（鼠标/键盘/U盘等）
USB从接入到使用
主机发现从机接入后，开始识别从机，成功识别后就可以使用从机的功能了。其中，发现从机接入/拔出的过程称为USB拔插，识别从机的过程称为枚举。
USB拔插：主机发现从机的接入/拔出
【摘要】主机通过检测USB D+/D-的电平变化感知从机接入/拔出。
一般USB接口包含4根线（OTG为5根），分别是：Vcc, D+, D-, GND。如图所示：
主机端D+/D-下拉15KΩ电阻到GND（0V），从机端D+/D-上拉1.5KΩ电阻到3.3V。当从机接入主机时，D+/D-上的电压变为3V，双方通过电平变化就可以发现USB的拔插事件。 USB拔插事件会触发主机的中断（或回调），执行从机的加载、释放过程。
USB枚举：主机认识从机的方式
【摘要】主机通过获取设备的描述符集合来识别USB设备，这个过程称为“枚举”。
USB设备（从机）的类型非常多，常见的有鼠标、键盘、游戏手柄等USB HID（Human Interface Device）设备，串口调试的CDC（Communication Device Class）设备，User自定义传输内容的WINUSB设备等。
那么对于新接入的从机，主机如何区分它属于哪种类型呢？
当然是让从机“介绍”自己。但主机是很忙的（软件、其他从机、其他接口的设备等），不会时时刻刻等着新从机的加入。从机不合时宜地发消息，只会对主机造成困扰。因此，从机就像门口排队的面试者一样，手里拿着自己的“简历”，等待着主机问询递交。
从机的“简历”，称为描述符集合（Descriptor Collection）。它包含从机的名字、籍贯、性别等最基本的信息（设备描述符）、从事的职业（配置描述符）、掌握的技能（接口描述符、端点描述符）和补充信息（字符串描述符、其他特殊描述符）。他们都必须遵循相应的格式，以便主机可以快速了解从机的所有信息。只要从机正确地遵循主机的流程（枚举），按固定格式提供主机索要的信息，就可以通过“面试”，成为主机的USB部门的一员。
每个USB设备都必须有描述符集合来详细介绍自己的所有功能和用途。USB连接后，主机通过访问描述符集合来识别从机并配置从机（枚举过程），就可以根据从机提供的信息使用从机的功能。
USB使用：主机使用从机的功能
【摘要】从机以等待主机轮询的方式发数据，以中断的方式收数据，从而实现相应的功能。
枚举成功后，从机开始履行自己的职责。
前文提到，从机不能擅自介绍自己，因为主机是很忙的。同样，在主机认识并接受从机后，从机依然不能擅自报告自己的行为、状态等信息。那么从机和主机要如何通信呢？
主机会定期到USB部门来视察工作，依次询问USB部门的所有成员是否需要汇报工作。当然，有些从机希望主机询问自己的频率高一些，就必须在“简历”中附上声明：请每隔XXX的时间问一次我的情况。对于没有附上声明的从机，主机会以自己的设定定期询问，或者由应用软件“催促”主机询问（自定义的USB设备）。
以鼠标为例，它一般会声明：请每隔10毫秒来问一下我的情况。主机会尽量遵守这个声明，及时询问鼠标。在某一次询问中，鼠标报告自己：我刚刚移动了10个像素点。那么主机就会让屏幕上的光标移动。
因此，从机准备好发送的数据后必须进入等待（一般不会等太久），直到主机轮询到此功能时，才开始发送。假设从机可以任意触发数据的发送过程，且主机连接多个从机，那么当多个从机同时发送数据到主机的USB总线上时就会引发冲突。
反之，当主机需要发送数据时，从机必须尽快接收，所以从机一般会用中断处理主机发送数据的请求。这是因为主机需要轮询很多从机，每次轮询都有固定的时间，超时后就通信失败了。
【Q】从机发送/接收数据，主机发送/接收数据是否容易概念混淆？
【A】是的。因此USB的数据传输过程描述以主机端为主。“从机–>主机”（Device-to-host）方向的数据传输称为输入（Data In），“从机<–主机”(Host-to-device)方向的数据传输为输出（Data Out）。
【Q】主机轮询到从机的输入功能时，没有数据要发送怎么办？
【A】当然是PASS，从机直接回复NAK（即没有数据）或STALL（设备挂起）。
USB通信过程
主机如何访问指定USB设备？
【摘要】主机为所有从机分配唯一的设备地址，通过该地址来访问从机。
以PC为例，一般PC的USB设备可能包括鼠标、键盘、HUB扩展坞、蓝牙/WiFi适配器等。那么假如PC想访问鼠标设备时，该如何实现呢？
答案是设备地址。主机给所有已连接的从机分配设备地址，并确保不会重复。对刚接入还没来得及分配地址的从机，主机使用默认地址
【Q】枚举成功后，从机再次拔插还可以用之前分配的地址通信吗？
【A】主机会重新分配设备地址，但可能分配的碰巧就是之前的地址。
【Q】主机为分配地址前，如何与从机通信？
【A】USB规定，对于刚接入的从机，主机用默认地址（Addr0）通信。
主机如何访问指定USB设备的指定功能？
【摘要】主机通过<设备地址（Address），设备端点（Endpoint）>访问指定从机的指定接口（功能）。
假设设备A是USB复合设备，同时支持鼠标、键盘、CDC功能，那么主机给设备A分配设备地址后，如何访问从机A的其中一个功能（比如键盘功能）？且当这个键盘功能同时支持发送和接收数据时，如何避免收发冲突呢？
答案是用端点（Endpoint，EP）加以区分。主机通过设备地址找到从机后，再通过端点访问从机的指定功能的指定用途。端点具有唯一性，它们和从机的功能及用途一一对应，按照端点的属性构建专用的端点通道（Pipe）来通信。另外，端点还标识了特定用途的数据传输方向。因此，对于USB复合设备A，通过端点号可区分键盘功能的发送或接收。
【Q】有多少个功能/用途就分配多少个设备地址不就可以了吗？
【A】如果这么做，当主机接入多个USB设备，而每个USB设备又支持多种功能、每个功能又包含多个用途时，主机需要分配的地址数量非常之多，且每次拔插设备需要多次分配地址，最终通信效率变低了。
【Q】主机未识别从机的功能之前用什么端点通信？
【A】与默认地址0一样，从机也会有默认端点0（Default Endpoint, EP0）。准确来讲，对初次接入的从机，双方通过<Addr0，EP0>进行通信。
主机、从机如何读/写数据
【摘要】主机用默认端点0（EP0）创建通道枚举从机，根据描述符集中的其他端点创建对应通道访问其他功能。
首先，从机必须支持默认端点EP0。对刚接入的从机，主机使用<Addr0, EP0>访问从机，创建EP0的端点通道，开始枚举并分配地址，然后使用<new Addr, EP0>重新枚举。枚举成功后，主机根据从机提供的信息创建相应的资源和通道，访问从机的功能。
当然，从机的功能多种多样，可能要持续传输大量数据，也可能要求实时性高，或是偶尔传输数据等。那么访问的需求不一样，主机怎么区分呢？
当然是给端点加上属性（Attribute）。在端点描述符中声明属性，可以告诉主机构建什么样的数据通道，以何种方式读/写数据。
一次完整的通信过程
【摘要】一次完整的通信分为三个过程：请求过程（令牌包）、数据过程（数据包）和状态过程（握手包），没有数据要传输时，跳过数据过程。
通信过程包含以下三种情况：
主机发送令牌包（Token）开始请求过程，如果请求中声明有数据要传输则有数据过程，最后由数据接收方（有数据过程）或从机（无数据过程）发起状态过程，结束本次通信。
与USB全速设备通信时，主机将每秒等分为1000个帧（Frame）。主机在每帧开始时，向所有从机广播一个帧起始令牌包（Start Of Frame，SOF包）。它的作用有两个：一是通知所有从机，主机的USB总线正常工作；二是从机以此同步主机的时序。
与USB高速设备通信时，主机将帧进一步等分为8个微帧（Microframe），每个微帧占125μ \muμs。在同一帧内，8个微帧的帧号都等于当前SOF包的帧号。
注意：下文所有USB包结构均不包括前导码（同步码）。
#pragma data_alignment=1 //对齐方式为Byte
typedef struct _USB_Token_SOF_t{
uint8_t bPID; // 0xA5, SOF（0101B）
uint16_t b11FrameID:11; // 帧号
uint16_t b5CRC:5; // wFrameID字段（11bit）的CRC校验码
}USB_Token_SOF_t;
【Q】为什么PID是4bit的，字段长度却有8bit？
【A】因为PID字段高4bit是低4bit的校验位：pid(i+4) = ~pid(i)。
【Q】为什么CRC不校验PID字段？
【A】因为PID字段本身带有校验位。
请求过程（请求包）
主机广播SOF包之后，会发送带有地址和端点信息的令牌包（Token）来指定要访问的从机，分别有：建立令牌包（SETUP）、输出令牌包（OUT）、输入令牌包（IN）。
这三种令牌包统称为请求包，结构如下：
#pragma data_alignment=1 //对齐方式为Byte
typedef struct _USB_Token_t{
uint8_t bPID; // 0xE1, OUT (0001B);
0x69, IN (1001B);
0x2D, SETUP (1101B);
uint16_t b7Addr:7; // 要访问的设备地址
uint16_t b4Endpoint:4; // 要访问的端点号
uint16_t b5CRC:5; // wFrameID字段（11bit）的CRC校验码
}USB_Token_t;
主机可以通过请求包指定要访问的从机，发起请求过程，配置从机或指示从机准备发送/接收数据。在枚举过程中，主机使用SETUP包请求从机的信息。枚举成功后，主机使用IN包请求输入数据，OUT包请求输出数据。
枚举时，在SETUP包的后面会紧跟一个8B长度的请求（Request），用于描述主机的具体意图，结构如下：
#pragma data_alignment=1 //对齐方式为Byte
typedef struct _USB_Request_t{
uint8_t bmRequestType; // 请求类型
uint8_t bRequest; // 具体请求，参考USB 2.0 Spec Chapter 9.4
uint16_t wValue; // 内容和Request有关
uint16_t wIndex; // 内容和Request有关
uint16_t wLength; // 数据过程可传输的最大字节数
}USB_Request_t;
typedef struct _bmRequestType_t{
uint8_t b5Recipient:5; // 0 = Device, 1 = Interface
2 = Endpoint, 3 = Other
4..31 = Reserved
uint8_t b2Type:2; // 0 = Standard, 1 = Class
2 = Vendor, 3 = Reserved
uint8_t b1Direction:1; // 0 = Host-to-device
1 = Device-to-host
}bmRequestType_t;
在“请求过程”阶段，被访问的从机会接收并解析请求，若wLength字段不为0，则进入数据过程，否则进入状态过程。
【Q】从机收到不支持的请求怎么办？
【A】可以直接进入状态过程，从机发送STALL包。
【Q】有了IN/OUT包，为什么还要在请求中声明传输方向（Direction）？
【A】IN/OUT包后面不会带有请求。从机在收到IN/OUT包后直接进入数据过程，发送数据或回复NAK（没有数据要发送）。
数据过程（数据包）
请求的bmRequestType字段中，Direction标志位声明了数据要传输的方向。
当请求为输出（Data OUT，Direction = 1）时，从机接收不超过wLength字段中声明长度的数据，并根据请求的内容解析接收到的数据；当请求为输入时（Data IN，Direction = 0）时，从机根据请求的内容发送对应的数据（不超过wLength中声明的长度）。
数据包（Data Packets）的结构如下：
#pragma data_alignment=1 //对齐方式为Byte
typedef struct _USB_Data_Packet_t{
uint8_t bPID; // 0xC3, DATA0 (0011B); even
0x4B, DATA1 (1011B); odd
0x87, DATA2 (0111B); for usb high speed
0x0F, MDATA (1111B); for usb high speed
uint8_t bData[]; // 0 ~ 8192B
uint16_t wCRC16; // bData字段的CRC校验码
}USB_Data_P