USB 协议简介

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一、USB 架构

系统中只能有一个主机，并且与设备进行的通信是从主机的角度进行的。主机是“上行”组件，设备则是“下行”组件，如下图表示。数据从主机转移到外设的操作是 OUT 传输。数据从外设转移到主机的操作是IN 传输。主机（尤其是主控制器）控制着所有通信并向设备发出指令。共有三种常见的 USB 主控制器：

通用主控制器接口（UHCI）：由 Intel 生产，适用于 USB 1.0 和 USB 1.1。使用UHCI 时需要得到 Intel 的许可。该控制器支持低速模式和全速模式。
开放主控制器接口（OHCI）：由 Compaq、Microsoft 和 National Semiconductor 生产，适用于 USB 1.0 和 1.1。该控制器支持低速模式和全速模式，并且它的效率比 UHCI 更高，因为可以执行更多硬件功能。
扩展型主控制器接口（EHCI）：在 USB-IF 要求发布单一主控制器规范后，已经生产了该控制器，它适用于 USB 2.0。EHCI 仅支持高速传输，并且将低速和全速传输委托给 OHCI 或 UHCI 控制器执行。

通过使用集线器最多能够将 127 个设备连接至主控制器上。连接设备的数目限制由 USB 协议决定，它限制设备地址为 7 位。另外，由于集线器的时间限制和电缆传播的延迟，因此最多只能将五个集线器链接在一起。下图显示的是 USB 层次系统的框图，它表示集线器和设备的链接限制。您可以看到，随着集线器的链接限制，层次系统也限制为七层。

二、物理特性

1、USB 接口

一条 USB 传输线分别由地线、电源线、D+ 和 D- 四条线构成，D+ 和 D- 是差分输入线，它使用的是 3.3V 的电压（与 CMOS 的 5V 电平不同），而电源线和地线可向设备提供 5V 电压，最大电流为 500mA（可以在编程中设置）。

USB 设备可以直接和 HOST 通信，或者通过 Hub 和 Host 通信。一个 USB 系统中仅有一个 USB 主机，设备包括 USB 功能设备和 USB HUB，最多支持 127 个设备。物理连接指的是 USB 传输线。在 USB2.0 系统中要求使用屏蔽双绞线。

在全速和高速设备内，最大线缆长度为 5m。要想增大主机和设备间的距离，您必须使用一系列集线器和 5m 长的线缆。市场上存在多种 USB 扩展线缆，但使用超过 5m 的线缆违反了 USB 规范。低速设备的规范不太一样。它们的线缆长度被限制为 3m，并且不需要使用双绞线。

上行连接始终使用 Type A 型端口和连接器，而设备使用 Type B 型端口和连接器。最初，USB 规范仅包含用于设备的更大的 Type A 型和 Type B 型连接器，后来提供了 Mini 和 Micro 连接器。这些 Mini 和 Micro 连接器最初是为 USB On-the-Go （USB OTG）开发的。USB OTG 是一个 USB 规范，允许将通常作为从设备的设备作为主机使用。

Mini 和 Micro 连接器具有五个（而不是 4 个）引脚。额外引脚是 ID 引脚，用于识别OTG 应用中的主机和设备。

USB 标准的连接器引脚分布：

引脚标号	信号名称	缆线颜色	功能
1	VCC	红	+5V
2	Data-（D-）	白	数据-
3	Data（D+）	绿	数据+
4	GND	黑	接地

USB Mini/Micro 连接器引脚分布

引脚标号	信号名称	缆线颜色	功能
1	VCC	红	+5V
2	Data-（D-）	白	数据-
3	Data（D+）	绿	数据+
4	ID	NA	识别 Type A 型和 Type B 型插座： A 插座：连接到接地信号 B 插座：未连接
5	GND	黑	接地

2、USB 信号

USB 使用差分信号进行数据传输，这样可以有效的降低外接带来的干扰。

USB 输入差分放大器缓冲区

下表是 USB 通信的状态：

总线状态	指示
差分1	D+ 为高电平，D- 为低电平
差分0	D+ 为低电平，D- 为高电平
单端0（SE0）	D+ 和 D- 为低电平
单端1（SE1）	D+ 和 D- 为高电平
恢复状态	K 状态
数据包开始（SOP）	数据线从闲置状态切换到 K 状态
数据包结束（EOP）	SE0 持续两位时间以及 J 状态持续 1 位时间

	总线状态	指示
J 状态	低速	差分0
	全速	差分1
	高速	差分1
K 状态	低速	差分1
	全速	差分0
	高速	差分0

差分 0 和差分 1：这两个状态用于通过 USB 进行的通用数据通信。当 D+ 线为高电平、D- 线为低电平时，该状态为差分 1。当 D+ 线为低电平、D- 线为高电平时，该状态为差分 0
J 状态和 K 状态：除了差分信号外，USB 规范还定义了其他两个差分状态：J 状态和K 状态。它们的定义由设备速度决定。
- 在全速和高速设备上，J 状态为差分 1 而 K 状态是差分 0
- 在低速设备上，该情况则相反
单端0（SE0）：在 D+ 和 D- 均为低电平时所发生的状态。该状态表示一个复位、断连或数据包的结束。
单端1（SE1）：在 D+ 和 D- 均为高电平时发生的状态。不会故意生成该状态，并且不能在 USB 设计中出现。
闲置：必须在发送一个数据包的前后发生的状态。如果一个数据线为低电平，而另一个数据线为高电平，则表示闲置状态。高电平和低电平的定义由设备的速度决定。
- 在全速设备上，闲置状态是指 D+ 为高电平、D- 为低电平
- 在低速设备上，该情况则相反
恢复：用于使设备从挂起状态唤醒。通过发送一个K 状态实现该操作
数据包的开始（SOP）：当 D+ 和 D- 线从闲置状态转换到K 状态时，将在开始低速或全速数据包前发生
数据包的结束（EOP）：在低速或全速数据包结束时发生。当 SE0 状态持续两位时间（后面的内容将介绍位时间）以及 J 状态持续 1 位时间时，将发生 EOP
复位：在 SE0 状态持续 10 ms 时发生。在 SE0 至少持续 2.5 ms 后，该设备会复位，并开始进入复位状态
保持活动（Keep Alive）：在低速设备中使用的信号。低速设备缺少了一个帧起始数据包（用于防止挂起状态）。每次经过 1ms，它们都会使用一个 EOP 来防止设备进入挂起状态。

3、USB 字节序

先发 LSB，在发 MSB。

4、USB 信号的编码

USB 中的数据采用反向不归零编码方式（NRZI：none-return to zero inverted），并对 D+ 和 D- 线所处的不同状态定义成 J 和 K 两种状态。

数据状态	D+	D-
低速 J 状态	0	1
低速 K 状态	1	0

数据的编码/解码（反向不归零码）：

注：

遇到 0 的边沿进行状态改变，如果是 1 保持原有状态

在数据进行 NRZI 编码前，每 6 个连续的 1 信号之后都会插入一个 0 信号，以免丢失同步

反向不归零编码方式可以保证数据的完整性，而且不要求传输过程中由独立的时钟信号。

5、USB 设备检测

USB1.0 和 USB1.1 支持 1.5Mb/s 的低速模式（Low Speed）和 12Mb/bs 的全速模式（Full Speed）。在 USB2.0 以上支持 480Mb/s 的高速模式（High Speed）。

USB 低速模式是在 D- 线上上拉 1.5K 的电阻。

USB 全速模式是在 D+ 线上上拉 1.5K 的电阻。

当 USB 设备接入系统时刻，系统通过检测 USB 上的 D+ 或者 D- 线上的上拉电阻的方式来识别低速和全速设备。如上图所示，当主机端没有设备接入的时候，其 D+ 和 D- 的下拉电阻使得其电压几乎为 0V；当全速/低速设备接入后，在 D+/D- 端的上拉电阻会使得 D+/D- 出现高电平，而另外一根是低电平。主机端便知道有设备插入。

对于高速设备，和全速设备一样，在 D+ 上存在上拉电阻。对于高速设备的的识别，主机先把高速设备检测为全速设备，然后再通过“Chirp 序列”的总线握手机制来识别高速和全速设备。

6、USB 速度

USB 规范已经为 USB 系统定义了以下四种速度模式：低速（Low-Speed）、全速（Full-Speed）、高速（Hi-Speed）和超高速（Super-Speed）。

新型主机一直能同低速设备进行通信。例如，高速主机能够与低速设备进行通信，但全速主机并不能同高速设备进行通信。

低速、全速和高速设备的速率分别为 1.5 Mb/s、12 Mb/s 和 480 Mb/s。但是，这些指的是总线速率，并不是数据速率。实际的数据速率受总线加载速度、传输类型、开销、操作系统等因素的影响。数据传输则受以下内容的限制：

低速设备
- 例如：键盘、鼠标和游戏等外设
- 总线速率：1.5 Mb/s
- 最大的有效数据速率：800 B/s
全速设备
- 例如：手机、音频设备和压缩视频
- 总线速率：12 Mb/s
- 最大的有效数据速率：1.2 MB/s
高速设备
- 例如：视频、影像和存储设备
- 总线速率：480 Mb/s
- 最大的有效数据速率：53 MB/s

这些速度也影响到有关位时间的 USB 信号（如数据包结束（EOP）信号）。低速和全速USB 设备使用了频率为 48 MHz 的时钟执行 SIE 操作，并执行使用其他时钟源的USB 操作。该 48 MHz 时钟和总线速度决定了 USB 位时间：

全速：时钟频率/总线速度 = 48 MHz / 12 Mb/s 时，USB 位时间为 4 个时钟周期。
低速：时钟频率/总线速度 = 48 MHz / 1.5 Mb/s 时，USB 位时间为 32 个时钟周期。

7、USB端口颜色编码标识

USB 端口和连接器有时会进行颜色编码，以指示其支持的 USB 规范和功能。这些颜色不是 USB 规范所要求的，设备制造商之间也不一致。例如，Intel 使用橙色表示充电端口，而一家工业设备组件制造商选择橙色表示具有强保留机制的 USB 端口。

三、通信协议

USB 数据是由二进制数字串构成的：

首先数字串构成域（七种）
域再构成包（令牌包、数据包、握手包）
包再构成事务（IN、OUT、SETUP）
事务最后构成传输（中断传输、同步传输、批量传输和控制传输）。

1、域

域是 USB 数据最小的单位，由若干位组成，域可分为七种类型：

同步域（SYNC），8位，值固定为 $0000 0001$，用于本地时钟与输入同步，标志一个包的起始。
标识域（PID），由四位标识符+四位标识符反码构成，表明包的类型和格式，可以计算出 USB 的标识码有 16 种。
地址域（ADDR）：七位地址，代表了设备在主机上的地址，地址 $000 0000$ 被命名为零地址，是任何一个设备第一次连接到主机时，在被主机配置、枚举前的默认地址，因此一个 USB 主机只能接 127 个设备。
端点域（ENDP），4位，由此可知一个 USB 设备有的端点数量最大为 16 个。
帧号域（FRAM），11位，每一个帧都有一个特定的帧号，帧号域最大容量为 $0x800$，帧号连续增加，到 $0x7ff$ 后自动从 0 开始，对于同步传输有重要意义。
数据域（DATA）：长度为 0~1023 字节，在不同的传输类型中，数据域的长度各不相同，但必须为整数个字节的长度
校验域（CRC）：对令牌包（CRC5）和数据包（CRC16）中非 PID 域进行校验的一种方法，CRC 校验在通讯中应用很泛，是一种很好的校验方法，至于具体的校验方法请查阅相关资料，只须注意 CRC 码的除法是模 2 运算，不同于 10 进制中的除法。

2 、包

包（Packet）是 USB 系统中信息传输的基本单元，所有数据都是经过打包后在总线上传输的。数据在 USB 总线上的传输以包为单位，包只能在帧内传输。

高速 USB 总线的帧周期为 125us，全速以及低速 USB 总线的帧周期为 1ms。

帧的起始由一个特定的包（SOF 包）表示，帧尾为 EOF。EOF 不是一个包，而是一种电平状态，EOF 期间不允许有数据传输。

1732194378041

其中，不同的 PID 标识了不同类型的 USB 包。由四位标识符 + 四位标识符反码构成。这里只用PID0~4，PID4~7 是 PID0~4 的取反，用来校验 PID。

2.1 PID 域

包由域构成的，PID 将 USB 的包划分为了四种类型，分别是令牌包、数据包、握手包和特殊包，不同的包的域结构不同，介绍如下：

令牌包（Token）：可分为输入包、输出包、设置包和帧起始包（注意这里的输入包是用于设置输入命令的，输出包是用来设置输出命令的，而不是放数据的）
- 其中输入包（IN）、输出包（OUT）和设置包（SETUP）的格式都是一样的：SYNC+PID+ADDR+ENDP+CRC5
- 帧起始包（SOF）的格式：SYNC+PID+11位FRAM+CRC5
- 类型：
  - 0x01：输出（OUT）启动一个方向为主机到设备的传输，并包含了设备地址和标号
  - 0x09：输入（IN）启动一个方向为设备到主机的传输，并包含了设备地址和标号
  - 0x05：帧起始（SOF）表示一个帧的开始，并且包含了相应的号，在每帧开始时以广播的形式发送，针对 USB 全速/高速设备，主机每 1ms/125us 产生一个帧（由Hos->Device），USB 主机会对当前帧号进行统计，每次帧开始时通过 SOF 包发送帧号
  - 0x0d：设置（SETUP）启动一个控制传输，用于主机对设备的初始化，与 OUT 令牌的区别是:只使用 DATA0 数据包，且只能发到 Device 的控制端点
数据包（Data）：分为 DATA0 包和 DATA1 包，当 USB 发送数据的时候，当一次发送的数据长度大于相应端点的容量时，就需要把数据包分为好几个包，A分批发送，DATA0 包和 DATA1 包交替发送，即如果第一个数据包是 DATA0，那第二个数据包就是 DATA1。但也有例外情况，在同步传输中（四类传输类型中之一），所有的数据包都是为 DATA0
- 格式：SYNC+PID+0~1023字节+CRC16
- 类型：
  - 0x03：偶数据包（DATA0）
  - 0x0b：奇数据包（DATA1）
  - 0x07：高速设备的 PID 的同步包
  - 0x0f：高速设备分离包，高带宽的同步事务
握手包（HandShake）：结构最为简单的包
- 格式：SYNC+PID
- 类型
  - 0x02:确认接收到无误的数据包（ACK）
    0x0a：无效（NAK），接收（发送）端正在忙而无法接收（发送）信息
  - 0x0e：错误（STALL)，端点被禁止或不支持控制管道请求
  - 0x06：无响应（NYET）
特殊类
- 前导包，错误包，分裂事务和 PING 测试

PID	数据传输方向
IN	Device->Host
OUT	Host->Device
SETUP	Host->Device
PING	Device->Host

2.2 Address 域

地址域有两部分组成：7bits 的设备地址 ADDR +4 bits 的端点地址 ENDP

可以知道，USB 系统理论上最大支持链接 127 个设备，每个设备最多 $2^4=16$ 个端点。实际上由于 INTER 硬件设计上的缺陷，根本达不到这么多。

这个 ENDP 只用在 IN/OUT/SETUP 令牌包中。

2.3 Frame Number 域

当 USB 令牌包的 PID 为 SOF 时候，其数据字段必须为 11 位的帧序列号。

帧号占11位，主机每发出一个帧，帧号都会自加1，当帧号达到0x7FF时，将归零重新开始计数。对于同步传输有重要意义。

2.4 Data 域

仅存在于 DATA 信息包，根据不同的传输类型，拥有不同大小的字节（0~1023字节）

2.5 CRC 域

用于进行数据的 CRC 校验。

3、事务

在 USB 上数据信息的一次接收或发送的处理过程称为事务处理（Transaction）。一个事务由一系列包组成，具体由哪些包组成，它取决于具体的事务。

事务分别有 IN、OUT和 SETUP 三大事务，每一种事务都由令牌包、数据包、握手包三个阶段构成。

这里用阶段的意思是因为这些包的发送是有一定的时间先后顺序的

事务的三个阶段如下：

令牌包阶段：启动一个输入、输出或设置的事务
数据包阶段：按输入、输出发送相应的数据
握手包阶段：返回数据接收情况，在同步传输的 IN 和 OUT 事务中没有这个阶段，这是比较特殊的。

事务的三种类型如下（以下按三个阶段来说明一个事务）：

SETUP 事务：主机用来向设备发送控制命令
- 令牌包阶段——主机发送一个 PID 为 SETUP 的设置包给设备，通知设备要接收数据；
- 数据包阶段——主机给设备发送数据，固定为 8 个字节的 DATA0 包，这 8 个字节的内容就是标准的 USB 设备请求命令。
- 握手包阶段——设备–>主机，设备正确接收到主机的命令信息后，返回 ACK，此后总线进入空闲状态，并准备下一个传输（在 SETUP 事务后通常是一个 IN 或 OUT 事务构成的传输）

整个过程为：

主机–>设备，SYNC+SETUP+ADDR+ENDP+CRC5
主机–>设备，SYNC+DATA0+8字节Data+CRC16
设备–>主机，SYNC+ACK/NAK/STALL

IN 事务：主机用来从设备读取数据
- 令牌包阶段——主机发送一个 PID 为 IN 的输入包给设备，通知设备要往主机发送数据；
- 数据包阶段——设备根据情况会作出三种反应（要注意：数据包阶段也不总是传送数据的，根据传输情况还会提前进入握手包阶段）：
  - 设备端点正常，设备往入主机里面发送数据（发送数据太长时拆分成多个 IN 事务，DATA0 与 DATA1 交替）；
  - 设备正在忙，无法往主机发出数据包就发送 NAK 无效包，IN事务提前结束，到了下一个 IN 事务才继续；
  - 相应设备端点被禁止，发送错误包 STALL 包，事务也就提前结束了，总线进入空闲状态
- 握手包阶段——主机正确接收到数据之后就会向设备发送 ACK 包。

整个过程为：

主机–>设备，SYNC+IN+ADDR+ENDP+CRC5
设备–>主机，SYNC+DATA1/0+(0~1023)字节Data+CRC16 或 SYNC+NAK/STALL（设备忙或设备出错）
主机–>设备，SYNC+ACK

OUT 事务：主机用来向设备发送数据
- 令牌包阶段——主机发送一个 PID 为 OUT 的输出包给设备，通知设备要接收数据；
- 数据包阶段——比较简单，就是主机给设备发送数据（发送数据太长时拆分成多个 IN 事务，DATA0 与DATA1 交替）；
- 握手包阶段——设备根据情况会作出三种反应：
  1. 设备端点接收正确，设备往入主机返回 ACK，通知主机可以发送新的数据，如果数据包发生了 CRC校验错误，将不返回任何握手信息；
  2. 设备正在忙，无法往主机发出数据包就发送 NAK 无效包，通知主机再次发送数据；
  3. 相应设备端点被禁止，发送错误包 STALL 包，事务提前结束，总线直接进入空闲状态。

整个过程为：

主机–>设备，SYNC+OUT+ADDR+ENDP+CRC5
主机–>设备，SYNC+DATA1/0+(0~1023)字节Data+CRC16
设备–>主机，SYNC+ACK/NAK/STALL

4、传输

传输由 OUT、IN、SETUP 事务其中的事务构成，有四种类型：中断传输、批量传输、同步传输、控制传输，其中中断传输和批量转输的结构一样，同步传输有最简单的结构，而控制传输是最重要的也是最复杂的传输。

中断传输（Control Transfer）
批量传输（Bulk Transfer）
同步传输（Isochronous Transfer）
控制传输（Control Transfer）

4.1 控制传输

控制传输（Control Transfer）：最重要的也是最复杂的传输，控制传输由三个阶段构成（初始设置阶段、可选数据阶段、状态信息步骤），每一个阶段可以看成一个的传输，也就是说控制传输其实是由三个传输构成的，用来于 USB 设备初次加接到主机之后，主机通过控制传输来交换信息，设置地址和读取设备的描述符，使得主机识别设备，并安装相应的驱动程序，这是每一个 USB 开发者都要关心的问题。

建立阶段（Setup）：主机从 USB 设备获取配置信息，并设置设备的配置值。建立阶段的数据交换包含了 SETUP 令牌封包、紧随其后的 DATA0 数据封包以及 ACK 握手封包。它的作用是执行一个设置（概念含糊）的数据交换，并定义此控制传输的内容
- 也就是说，在 Data Stage 中 IN 或 OUT 的 data 包个数，及发送方向，在 Setup 阶段已经被设定
数据阶段（Data）：就是一个由 IN 或 OUT 事务构成的传输，这个步骤是可选的，要看初始设置步骤有没有要求读/写数据（由 SET 事务的数据包步骤发送的标准请求命令决定）。根据数据阶段的数据传输的方向，控制传输又可分为 3 种类型
- 控制读取（读取 USB 描述符）：将数据从设备读到主机上，读取的数据是 USB 设备描述符。每个数据信息包而言，首先，主机会发送一个 IN 令牌信息包，表示要读数据进来。然后，设备将数据通过 DATA1/DATA0 数据信息包回传给主机。最后，主机将以下列的方式加以响应：当数据已经正确接收时，主机送出 ACK 令牌信息包；当主机正在忙碌时，发出 NAK 握手信息包；当发生了错误时，主机发出 STALL 握手信息包
- 控制写入（配置 USB 设备）：将数据从主机传到设备上，所传的数据为对 USB 设备的配置信息，对每一个数据信息包而言，主机将会送出一个 OUT 令牌信息包，表示数据要送出去。紧接着，主机将数据通过 DATA1/DATA0 数据信息包传递至设备。最后，设备将以下列方式加以响应：当数据已经正确接收时，设备送出 ACK 令牌信息包；当设备正在忙碌时，设备发出 NAK 握手信息包；当发生了错误时，设备发出 STALL 握手信息包
- 无数据控制
状态信息（Staus）：用来表示整个传输的过程已经完全结束，由 IN 或 OUT 事务构成构成的传输，但是要注意这里的 IN 和 OUT 事务和之前的 IN 和 OUT 事务有两点不同：
- 传输方向相反，通常 IN 表示设备往主机送数据，OUT 表示主机往设备送数据；在这里，IN 表示主机往设备送数据，而 OUT 表示设备往主机送数据，这是为了和可选数据步骤相结合；
- 在这个步骤，数据包阶段的数据包都是 0 长度的 DATA1 包，即 SYNC+PID+CRC16

控制输入时：

初始设置步骤：
- 主机–>设备，SYNC+SETUP+ADDR+ENDP+CRC5
- 主机–>设备，SYNC+DATA0+8字节+CRC16
- 设备–>主机，SYNC+ACK/NAK/STALL
可选数据步骤：（数据较多时，此步骤可以分多次，此时 DATA0/DATA1 交替传送）
- 主机–>设备，SYNC+IN+ADDR+ENDP+CRC5
- 设备–>主机，SYNC+DATA1+n字节+CRC16或SYNC+NAK/STALL
- 主机–>设备，SYNC+ACK
状态信息步骤：
- 主机–>设备，SYNC+OUT+ADDR+ENDP+CRC5
- 主机–>设备，SYNC+DATA1+0字节+CRC16
- 设备–>主机，SYNC+ACK/NAK/STALL

控制输出时：

初始设置步骤：
- 主机–>设备，SYNC+SETUP+ADDR+ENDP+CRC5
- 主机–>设备，SYNC+DATA0+8字节+CRC16
- 设备–>主机，SYNC+ACK/NAK/STALL
可选数据步骤：（数据较多时，此步骤可以分多次，此时 DATA0/DATA1 交替传送）
- 主机–>设备，SYNC+OUT+ADDR+ENDP+CRC5
- 主机–>设备，SYNC+DATA1+n字节+CRC16
- 设备–>主机，SYNC+ACK/NAK/STALL
状态信息步骤：
- 主机–>设备，SYNC+IN+ADDR+ENDP+CRC5
- 设备–>主机，SYNC+DATA1+0字节+CRC16或SYNC+NAK/STALL
- 主机–>设备，SYNC+ACK

4.2 批量传输

批量传输（Bulk Transfer）：由 OUT 事务和 IN 事务构成，用于==大容量数据传输==，没有固定的传输速率，也不占用带宽，适用于打印机、存储设备等。当总线忙时，USB 会优先进行其他类型的数据传输，而暂时停止批量转输。

批量传输是可靠的传输，需要握手包来表明传输的结果。若数据量比较大，将采用多次批量事务传输来完成全部数据的传输，传输过程中数据包的 PID 按照 DATA0-DATA1-DATA0-.. 的方式翻转，以保证发送端和接收端的同步。

一次批量传输（Transfer）由 1 次到多次批量事务传输（Transaction）组成。

重传机制：

USB 允许连续 3 次以下的传输错误，会重试该传输，若成功则将错误次数计数器清零，否则累加该计数器。超过三次后，HOST 认为该端点功能错误（STALL），会放弃该端点的传输任务
发送端按照 DATA0-DATA1-DATA0-.. 的顺序发送数据包，只有成功的事务传输才会导致 PID 翻转，也就是说发送端只有在接收到 ACK 后才会翻转 PID，发送下一个数据包，否则会重试本次事务传输。同样，若在接收端发现接收到到的数据包不是按照此顺序翻转的，比如连续收到两个 DATA0，那么接收端认为第二个 DATA0 是前一个 DATA0 的重传

4.3 中断传输

中断传输（Control Transfer）：由 OUT 事务和 IN 事务构成，用于键盘、鼠标等 HID 设备的数据传输中

中断传输在流程上除不支持 PING 之外，其他的跟批量传输是一样的。他们之间的区别也仅在于事务传输发生的端点不一样、支持的最大包长度不一样、优先级不一样等这样一些对用户来说透明的东西。主机在排定中断传输任务时，会根据对应中断端点描述符中指定的查询间隔发起中断传输。中断传输有较高的优先级，仅次于同步传输。

同样中断传输也采用 PID 翻转的机制来保证收发端数据同步。下图为中断传输的流程图。

4.4 同步传输

同步传输（Isochronous Transfer）：由 OUT 事务和 IN 事务构成，有两个特殊地方：

第一，在同步传输的 IN 和 OUT 事务中是没有握手包阶段的；
第二，在数据包阶段所有的数据包都为 DATA0

同步传输不支持 handshake 和重传，所以它是==不可靠传输==。

四、USB 请求

标准的 USB 设备请求命令是用在控制传输中的“初始设置步骤”里的数据包阶段（即DATA0，由八个字节构成）。

标准 USB 设备请求命令共有 11 个，大小都是 8 个字节，具有相同的结构，由 5 个字段构成（字段是标准请求命令的数据部分），结构如下（括号中的数字表示字节数，首字母bm、b、w 分别表示位图、字节，双字节）：

bmRequestType(1)+bRequest(1)+wvalue(2)+wIndex(2)+wLength(2)

各字段的意义如下：

bmRequestType：表示位图
- D7：第二阶段数据传输方向
  - 0：主机至设备
  - 1：设备至主机
- D6D5：种类
  - 00：标准请求命令
  - 01：类请求命令
  - 10：用户定义的命令
  - 11：保留
- D4D3D2D1D0：接收者
  - 0：接收者为设备
  - 1：接收者为接口
  - 2：接收者为端点
  - 3：接收者为其他接收者
  - 4…31：保留
bRequest：命令类型编码值，见下表

bRequest	Value
`GET_STATUS`	0	用来返回特定接收者的状态
`CLEAR_FEATURE`	1	用来清除或禁止接收者的某些特性
为将来保留	2
`SET_FEATURE`	3	用来启用或激活命令接收者的某些特性
为将来保留	4
`SET_ADDRESS`	5	用来给设备分配地址
`GET_DEscriptOR`	6	用于主机获取设备的特定描述符
`SET_DEscriptOR`	7	修改设备中有关的描述符，或者增加新的描述符
`GET_CONFIGURATION`	8	用于主机获取设备当前设备的配置值（注同上面的不同）
`SET_CONFIGURATION`	9	用于主机指示设备采用的要求的配置
`GET_INTERFACE`	10	用于获取当前某个接口描述符编号
`SET_INTERFACE`	11	用于主机要求设备用某个描述符来描述接口
`SYNCH_FRAME`	12	用于设备设置和报告一个端点的同步帧

wValue：表示要获取描述符的类型（高字节位描述符索引，低字节为描述符索引）
- 1 - 设备描述符
- 2 - 配置描述符
- 3 - 字符描述符
- 4 - 接口描述符
- 5 - 端口描述符
wIndex：根据不同的命令，含义也不同，主要用于传送索引或偏移
wLength：如有数据传送阶段，此为数据字节数

五、USB 描述符

USB 协议为 USB 设备定义了一套描述设备功能和属性的有固定结构的描述符。USB 设备通过这些描述符向 USB 主机汇报设备的各种各样属性，主机通过对这些描述符的访问对设备进行类型识别、配置并为其提供相应的客户端驱动程序。

USB 设备通过描述符反映自己的设备特性。USB描述符是由特定格式排列的一组数据结构组成。

在 USB 设备枚举过程中，主机端的协议软件需要解析从 USB 设备读取的所有描述符信息。在 USB 主向设备发送读取描述符的请求后，USB 设备将所有的描述符以连续的数据流方式传输给 USB 主机。主机从第一个读到的字符开始，根据双方规定好的数据格式，顺序地解析读到的数据流。

下面主要介绍以下几种描述符：

设备描述符（Device Descriptor）
配置描述符（Configuration Descriptor）
接口描述符（Interface Descriptor）
端点描述符（Endpoint Descriptor）
设备限定描述符（Device Qualifier Descriptor）
字符串描述符（String Descriptor）

所有 USB 描述符都由一种通用格式组成。第一个字节指定描述符的长度，而第二个字节表示描述符类型。如果描述符的长度小于规范定义的长度，那么主机将忽略它。但是，如果大小大于预期，主机将忽略额外的字节，并在返回的实际长度结束时开始寻找下一个描述符。

typedef struct _USB_COMMON_DESCRIPTOR {
    UCHAR   bLength;
    UCHAR   bDescriptorType;
} USB_COMMON_DESCRIPTOR, *PUSB_COMMON_DESCRIPTOR;

1、设备描述符

USB 设备描述符是 USB设备在进行插拔和初始化过程中，最先被主机读取的一部分信息，它包含了设备的一些基本属性信息，如 USB 规范版本、设备类、设备子类、设备协议、最大数据包长度等。

USB 设备描述符通常是在设备插入时被主机读取，在获取到设备描述符后，主机可以自动加载相应的驱动程序，完成设备的初始化和配置。

设备描述符是 USB 设备的第一个描述符，每个 USB 设备都得具有设备描述符，且只能拥有一个。

windows 系统中设描描述符的结构体定义如下：

struct _DEVICE_DESCRIPTOR_STRUCT 
{
    BYTE bLength;           // 设备描述符的字节数大小，为0x12     
    BYTE bDescriptorType;   // 描述符类型编号，为0x01，即设备描述符    
    WORD bcdUSB;            // USB版本号     
    BYTE bDeviceClass;      // USB分配的设备类代码，0x01~0xfe为标准设备类，0xff为厂商自定义类型            					  // 0x00不是在设备描述符中定义的，如HID     
    BYTE bDeviceSubClass;   // USB分配的子类代码，同上，值由USB规定和分配的     
    BYTE bDeviceProtocol;   // USB分配的设备协议代码，同上    
    BYTE bMaxPacketSize0;   // 端点0的最大包的大小（仅8，16，32，64为合法值）   
    WORD idVendor;          // 厂商编号（由USB-IF组织赋值）    
    WORD idProduct;         // 产品编号（由厂商赋值）     
    WORD bcdDevice;         // 设备出厂编号（BCD码）    
    BYTE iManufacturer;     // 描述厂商字符串的索引    
    BYTE iProduct;          // 描述产品字符串的索引  
    BYTE iSerialNumber;     // 描述设备序列号字符串的索引    
    BYTE bNumConfiguration; // 可能的配置数量 
}

补充说明

bDescriptorType 为描述符的类型，其含义可查下表（也适用于标准命令 Get_Descriptor 中 wValue 域高字节的取值含义：

类型	描述符	描述符值
标准描述符	设备描述符（Device Descriptor）	0x01
	配置描述符（Configuration Descriptor）	0x02
	字符串描述符（String Descriptor）	0x03
	接口描述符（Interface Descriptor）	0x04
	端点描述符（Endpoint Descriptor）	0x05
类描述符	人机接口类描述符（HID）	0x21
	集线器类描述符（Hub Descriptor）	0x29
厂商定义的描述符		0xFF

设备类代码 bDeviceClass 可查下表：

值（十进制）	值（十六进制）	说明
0	0x00	接口描述符中提供类的值
2	0x02	通信类
9	0x09	集线器类
220	0xDC	用于诊断用途的设备类
224	0xE0	无线通信设备类
255	0xFF	厂商定义的设备类

2、配置描述符

配置描述符定义了设备的配置信息，一个设备可以有多个配置描述符。不过大部分的 USB 设备只有一个配置描这符。

配置描述符指定设备的供电方式、最大功耗是多少、它拥有的接口数量。因此，可以有两种配置，一种用于设备由总线供电时，另一种用于设备供电时。由于这是接口描述符的“头”，因此使一种配置使用与另一种配置不同的传输模式也是可行的。

一旦主机检查了所有配置，主机将发送具有非零值的 SetConfiguration 命令，该值与其中一个配置的bConfigurationValue 匹配。这用于选择所需的配置。

USB 配置描述符的结构如下：

struct _CONFIGURATION_DESCRIPTOR_STRUCT 
{ 
    BYTE bLength;              // 配置描述符的字节数大小，固定为9字节，即0x09
  	BYTE bDescriptorType;      // 描述符类型编号，为0x02 
  	WORD wTotalLength;         // 配置所返回的所有数量的大小（包括配置，接口，端点和设备类及厂商定义的描述符）
  	BYTE bNumInterface;        // 此配置所支持的接口数量 
  	BYTE bConfigurationVale;   // Set_Configuration命令需要的参数值 
  	BYTE iConfiguration;       // 描述该配置的字符串的索引值 
    BYTE bmAttribute;          // 供电模式的选择，Bit4-0保留，D7:总线供电，D6:自供电，D5:远程唤醒
    BYTE MaxPower;             // 设备从总线提取的最大电流，以2mA为单位
} CONFIGURATION_DESCRIPTOR_STRUCT

3、接口描述符

接口描述符一般是按设备的运行状态分类，这样设备可以在不同的接口中切换来实现设备运行状态的切换，如在设备在运行状态下使用正常的接口描述符，在停止状态下使用该接口描述符的备用接口描述符。

配置描述符中包含了一个或多个接口描述符，这里的“接口”并不是指物理存在的接口，在这里把它称之为“功能”更易理解些，例如一个设备既有录音的功能又有扬声器的功能，则这个设备至少就有两个“接口”。

如果一个配置描述符不止支持一个接口描述符，并且每个接口描述符都有一个或多个端点描述符，那么在响应 USB 主机的配置描述符命令时，USB 设备的端点描述符总是紧跟着相关的接口描述符后面，作为配置描述符的一部分被返回。接口描述符不可直接用 Set_Descriptor 和 Get_Descriptor 来存取。

如果一个接口仅使用端点 0，则接口描述符以后就不再返回端点描述符，并且此接口表现的是一个控制接口的特性，它使用与端点 0 相关联的默认管道进行数据传输。在这种情况下bNumberEndpoints 域应被设置成 0 接口描述符在说明端点个数并不把端点 0 计算在内。

USB 接口描述符的结构如下：

struct _INTERFACE_DESCRIPTOR_STRUCT 
{ 
    BYTE bLength;            // 设备描述符的字节数大小，固定为0x09 
    BYTE bDescriptorType;    // 描述符类型编号，固定为0x04
    BYTE bInterfaceNumber;   // 接口的编号 
    BYTE bAlternateSetting;  // 备用的接口描述符编号 
    BYTE bNumEndpoints;      // 该接口使用端点数，不包括端点0 
    BYTE bInterfaceClass;    // 接口类型（0：保留，0xFF：由厂商说明，其它：由USB说明）
    BYTE bInterfaceSubClass; // 接口子类型（同上）
    BYTE bInterfaceProtocol; // 接口所遵循的协议（由USB分配） 
    BYTE iInterface;         // 该接口的字符串描述符索引值 
}INTERFACE_DESCRIPTOR_STRUCT

补充说明

bInterfaceClass 字段表示接口所属的类别，其类型如下表：

值（十六进制）	类别
0x01	音频类
0x02	CDC控制类
0x03	人机接口类（HID）
0x05	物理类
0x06	图像类
0x07	打印机类
0x08	大数据存储类
0x09	集线器类
0x0A	CDC数据类
0x0B	智能卡类
0x0D	安全类
0xDC	诊断设备类
0xE0	无线控制器类
0xFE	特定应用类（包括红外的桥接器等）
0xFF	厂商定义的设备

4、接口关联描述符

对于复合USB设备的接口描述符，可以在每个类（Class）要合并的接口描述符之前加一个接口关联描述符（Interface Association Descriptor，IAD),其作用就是把多个接口定义成一个类设备，即多个接口作用于一个设备。

接口关联描述符的定义如下：

typedef struct _USB_INTERFACE_ASSOCIATION_DESCRIPTOR 
{    
    UCHAR   bLength;            // 接口关联描述符的长度，0x08   
    UCHAR   bDescriptorType;    // 描述符类型为接口关联描述符，值为0x0b   
    UCHAR   bFirstInterface;    // 该接口关联描述符所关联的第一个接口号  
    UCHAR   bInterfaceCount;    // 该接口关联描述符所拥有的连续接口数  
    UCHAR   bFunctionClass;     // 接口关联描述符的功能所实现的USB类  
    UCHAR   bFunctionSubClass;  // 	接口关联描述符所实现的USB子类
    UCHAR   bFunctionProtocol;  // 接口关联描述符所实现的USB协议，未用，必须为PC_PROTOCOL_UNDEFINED，值为0x00
    UCHAR   iFunction;          // 功能的字符串索引
} USB_INTERFACE_ASSOCIATION_DESCRIPTOR, *PUSB_INTERFACE_ASSOCIATION_DESCRIPTOR;

5、端点描述符

端点是设备与主机之间进行数据传输的逻辑接口，除配置使用的端点 0（控制端点，一般一个设备只有一个控制端点）为双向端口外，其它均为单向。端点描述符描述了数据的传输类型、传输方向、数据包大小和端点号（也可称为端点地址）等。

除了描述符中描述的端点外，每个设备必须要有一个默认的控制型端点，地址为 0，它的数据传输为双向，而且没有专门的描述符，只是在设备描述符中定义了它的最大包长度。主机通过此端点向设备发送命令，获得设备的各种描述符的信息，并通过它来配置设备。

struct _ENDPOIN_DESCRIPTOR_STRUCT 
{ 
    BYTE bLength;           // 设备描述符的字节数大小，为0x7 
    BYTE bDescriptorType;   // 描述符类型编号，为0x05
    BYTE bEndpointAddress;  // 端点地址及输入输出属性
    BYTE bmAttribute;       // 端点的传输类型属性，Bit1..0：传送类型
    WORD wMaxPacketSize;    // 端点收、发的最大包的大小 
    BYTE bInterval;         // 主机查询端点的时间间隔 
} ENDPOIN_DESCRIPTOR_STRUCT ；

bmAttributes ：端点属性
- Bit7-2，保留（同步有定义）
- BIt1-0：00-控制，01-同步，02-批量，03-中断
- 当为同步传输时：
  - bEndpointType 的 bit3-2 的值不同代表的含义不同：
    - 00：无同步
    - 01：异步
    - 10：适配
    - 11：同步
  - BIT5:4
    - 00: 表示数据端点
    - 01：表示反馈端点 Feedback endpoint
    - 10：表示隐式反馈数据端点 Implicit feedback Data endpoint
    - 11:保留
wMaxPacketSize : 本端点接收或发送的最大信息包大小．
- USB2.0时：
对于同步端点，此值用于指示主机在调度中保留的总线时间，这是每（微）帧数据有效负载所需的时间，有效负载时间就是发送一帧数据需要占用的总线时间，在实际数据传输过程中，管道实际使用的带宽可能比保留的带宽少；如果实际使用的带宽比保留的还多，那就丢数了；
对于其类型的端点：
- bit10~bit0：指定最大数据包大小（以字节为单位）；
- bit12~bit11：对于高速传输的同步和中断端点有效：
  - bit12~bit11 可指定每个微帧的额外通信次数，这里是在高速传输中，当一个事务超时时，在一个微帧时间内重传的次数。如果设置为 00b（None），则表示在一个微帧内只传输一个事务，不进行额外的超时重传；如果设置为 01b，则表示在一个微帧内可以传输两次事务，有一次额外的重传机会
  - 一个微帧最多可以有两次重传事务的机会，如果微帧结束了还是失败，就需要等到下一个微帧继续发送该事务
- USB3.0 时：wMaxPacketSize 表示包的大小。对于 bulk 为 1024，而对于同步传输，可以为 0~1024 或 1024。
bInterval：轮询数据传送端点的时间间隔，对于批量传送和控制传送的端点忽略；对于同步传送的端点，必须为 1；对于中断传送的端点，范围为 1-255．
- 对于全速/高速同步端点，此值必须在 1 到 16 之间。bInterval 值用作 2 的指数，例如 bInterval 为 4，表示周期为 8 个单位；
- 对于全速/低速中断端点，该字段的值可以是 1 到 255，也就是主机多少 ms 给设备发一次数据请求；
- 对于高速中断端点，使用 bInterval 值作为 2 的指数，例如 bInterval 为 4 表示周期为 8。这个值必须在 1 到 16 之间；
- 对于高速批量/控制输出端点，bInterval 必须指定端点的最大 NAK 速率。值 0 表示端点永不 NAK。其它值表示每个微帧的 bInterval*125us 时间最多 1 个 NAK。这个值的范围必须在 0 到 255 之间；
  - 00 = None (1 transaction per microframe)
  - 01 = 1 additional (2 per microframe)
  - 10 = 2 additional (3 per microframe)
  - 11 = Reserved
  - 其它位默认为0
- 对于全速/低速批量/控制输出端点，此值无意义，可以任意指定。

6、设备限定描述符

设备限定描述符描述符用在当一个设备能够工作在不同的速度下时，会获取设备限定描述符。

同时支持全速与高速的设备，必须有一个 Device Qualifier Descriptor。当设备转换速度的时候，设备描述符中的某些字段可能改变。Device Qualifier Descriptor 描述符储存当前不适用的速度的字段数值。设备描述符与 device_qualifier 描述符中的字段数值，视所选择的速度来做交替。

比如有一个高速的设备和一个全速的设备，他们的 VID、 PID 以及设备版本号都一样，先接入高速的设备，系统会“记住”他的速度是高速的。拔掉后再接入一个全速的设备，由于他们的标识都一样，系统会认为这是个相同的设备工作在不同的速度下，会请求设备限定描述符。这里其实虽然用了两个不同速度的设备来举例，但是在主机端看来，这和一个设备工作在两种速率是一样的。反过来如果先接入全速再接入高速，也会这样。

USB 设备不一定会支持设备限定描述符，所以如果 USB 主机获取设备限定描述符，USB 设备回复 STALL 表示设备不支持该描述符。这种控制传输的失败并不影响设备的正常枚举和使用。

设备限定描述符由 9 个字段组成，长度固定为 10 个字节：

位移	字段名称	长度（字节）	字段值	意义
0	bLength	1	0x0A	描述符大小（字节）
1	bDescriptorType	1	0x06	描述符类型编号
2	bcdUSB	2	BCD	USB规范版本号(例如, 0200h V2.00)
4	bDeviceClass	1	类别	类别码
5	bDeviceSubclass	1	子类别	子类别码
6	bDeviceProtocol	1	协议	协议码
7	bMaxPacketSize(0)	1	数字	最大数据包大小
8	bNumConfigurations	1	数字	可能配置的数目
9	Reserved	1	0	保留

7、字符串描述符

字符串描述符是可选的，描述了如制商、设备名称或序列号等信息。如果不支持字符串描述符，其设备描述符、配置描述符、接口描述符内的所有字符串描述符索引都必须为 0。字符串使用的是Unicode 编码。

在设备描述符中的 iManufacturer、iProduct、iSerialNumber 就代表的字符串描述符的 Index

主机请示得到某个字符串描述符时一般分为两步：

首先主机向设备发出 USB 标准命令 Ge_ Descriptor，其中所使用的字符串的索引值为 0 这个 USB 的 GET_DESCRIPTOR 请求的字段填充方式如下：

bmRequestType = 0x80 (standard request -- Device Receive -- Device To Host Data)
bRequest = 0x06 (GET DESCRIPTOR)
wValue = (0x03 << 8) |0x00 // ((GET_DESCRIPTOR STR << 8) | 0x00)

设备返回一个字符串描述符，此描述符的结构如下：

偏移量	域	大小	值	描述
0	bLength	1	N+2	此描述表的字节数
1	bDescriptorType	1	常量	字符串描述表类型（此处应为0x03）
2	wLANGID[0]	2	数字	语言标识码0（LANGID）
…	…	…	…	…
N	wLANGID[x]	数字	语言标识	语言标识码 X（LANGID）

主机根据自己需要的语言，再次向设备发出 USB 标准命令 Get_Descriptor，指明所要求得到的字符串的索引值和语言。

这个 USB 的 GET_DESCRIPTOR 请求的字段填充方式如下：

bmRequestType = 0x80 (standard request -- Device Receive -- Device To Host Data)
bRequest = 0x06 (GET DESCRIPTOR)
wValue = (0x03 << 8) | index //((GET DESCRIPTOR STR << 8) |index)
wIndex = 0x0409 (English)

这里的 index 就是前面说的 iManufacturer、iProduct、iSerialNumber 的值，也就是说，你想获取这三个中的哪个字符串描述，就放哪个对应的 index 进去，比如：

1	`iManufacturer = 0x03, iProduct = 0x02, iSerialNumber = 0x01`

我想获得 Product 的字符串描述，我就这样配置我的请求：

bmRequestType = 0x80 (standard request -- Device Receive -- Device To Host Data)
bRequest = 0x06 (GET DESCRIPTOR)
wValue = (0x03 << 8) | index //((GET DESCRIPTOR STR << 8) |index)
wIndex = 0x0409 (English)

这次设备所返回的是 Unicode 编号的字符串描述符，其结构如下：

偏移量	域	大小	值	描述
0	bLength	1	数字	此描述符表的字节数（bString 域的数值 N+2）
1	bDescriptorType	1	常量	字符串描述表类型（此处应为 0x03）
2	bString	N	数字	Unicode 编码的字符串

bString 域为设备实际返回的以 UNICODE 编码的字符串流，我们在编写设备端硬件驱动的时候需要字符串转换为 UNICODE 编码，您可以通过一些 UNICODE 转换工具进行转换

六、USB 枚举

当 USB 设备插上主机时，主机就通过一系列的动作来对设备进行枚举配置（配置是属于枚举的一个态，态表示暂时的状态），这这些态如下：

接入态（Attached）：全/高速设备 D+ 引脚外接 1.5k 上拉电阻，低速设备 D- 引脚外接 1.5k 上拉电阻，设备接入主机后，主机通过检测信号线上的电平变化来发现设备的接入，并获取设备速度；
供电态（Powered）：就是给设备供电，分为设备接入时的默认供电值，配置阶段后的供电值（按数据中要求的最大值，可通过编程设置）
缺省态（Default）：USB 在被配置之前，通过缺省地址 0 与主机进行通信；
地址态（Address）：经过了配置，USB 设备被复位后，就可以按主机分配给它的唯一地址来与主机通信，这种状态就是地址态；
配置态（Configured）：通过各种标准的 USB 请求命令来获取设备的各种信息，并对设备的某此信息进行改变或设置。
挂起态（Suspended）：总线供电设备在 3ms 内没有总线动作，即 USB 总线处于空闲状态的话，该设备就要自动进入挂起状态，在进入挂起状态后，总的电流功耗不超过 280UA。

下面介绍 Windows 下 USB 设备的枚举：

用户把 USB 设备插入 USB 端口或给系统启动时设备上电

这里的 USB 端口指的是主机下的根 Hub 或主机下行端口上的 Hub 端口。Hub 给端口供电，连接着的设备处于上电状态。

Hub 监测它各个端口数据线上（D+/D-）的电压

在 Hub 端，数据线 D+ 和 D- 都有一个阻值在 14.25k 到 24.8k 的下拉电阻 Rpd，而在设备端，D+（全速，高速）和 D-（低速）上有一个 1.5k 的上拉电阻 Rpu。当设备插入到 Hub 端口时，有上拉电阻的一根数据线被拉高到幅值的 90% 的电压（大致是 3V）。Hub 检测到它的一根数据线是高电平，就认为是有设备插入，并能根据是 D+ 还是 D- 被拉高来判断到底是什么设备（全速/低速）插入端口。

Host 了解连接的设备

每个 Hub 利用它自己的中断端点向主机报告它的各个端口的状态（对于这个过程，设备是看不到的，也不必关心），报告的内容只是 Hub 端口的设备连接／断开的事件。如果有连接／断开事件发生，那么 Host 会发送一个 Get_Port_Status 请求（request）以了解更多 Hub 上的信息。Get_Port_Status 等请求属于所有 Hub 都要求支持的 Hub 类标准请求。

Hub 检测所插入的设备是高速还是低速设备

Hub 通过检测 USB 总线空闲（Idle）时差分线的高低电压来判断所连接设备的速度类型，当 Host 发来 Get_Port_Status 请求时，Hub 就可以将此设备的速度类型信息回复给 Host（USB 2.0 规范要求速度检测要先于复位（Reset）操作）。

Hub 复位设备

当主机获悉一个新的设备后，主机控制器就向 Hub 发出一个Set_Port_Feature 请求让 Hub 复位其管理的端口。Hub 通过驱动数据线到复位状态（D+ 和 D- 全为低电平），并持续至少 10ms。当然，Hub 不会把这样的复位信号发送给其他已有设备连接的端口，所以其他连在该Hub 上的设备自然看不到复位信号，不受影响。

Host 检测所连接的全速设备是否是支持高速模式

因为根据 USB 2.0 协议，高速设备在初始时是默认全速状态运行，所以对于一个支持 USB 2.0 的高速 Hub，当它发现它的端口连接的是一个全速设备时，会进行高速检测，看看目前这个设备是否还支持高速传输，如果是，那就切到高速信号模式，否则就一直在全速状态下工作。

同样的，从设备的角度来看，如果是一个高速设备，在刚连接 Hub 或上电时只能用全速信号模式运行（根据 USB 2.0 协议，高速设备必须向下兼容 USB 1.1 的全速模式）。随后 Hub 会进行高速检测，之后这个设备才会切换到高速模式下工作。假如所连接的 Hub 不支持 USB 2.0，即不是高速 Hub，不能进行高速检测，设备将一直以全速工作。

Hub 建立设备和主机之间的信息通道

主机不停得向 Hub 发送 Get_Port_Status 请求，以查询设备是否复位成功。Hub 返回的报告信息中有专门的一位用来标志设备的复位状态。
当 Hub 撤销了复位信号，设备就处于默认／空闲状态，准备着主机发来的请求。设备和主机之间的通信通过控制传输，默认地址 0，端点号 0 进行。在此时，设备能从总线上得到的最大电流是 100mA。

主机发送 Get_Descriptor 请求获取默认管道的最大包长度

默认管道在设备一端来看就是端点 0。主机此时发送的请求是默认地址 0，端点 0，虽然所有位分配地址的设备都是通过地址 0 来获取主机发来的信息，但由于枚举过程不是多个设备并行处理，而是一次枚举一个设备的方式进行，所以不会发生多个设备同时响应主机发来的请求。

设备描述符的第 8 字节代表设备端点0的最大包大小。对于 Windows 系统来说，Get_Descriptor 请求中的 wLength 一项都会设为 64，虽然说设备所返回的设备描述符长度只有 18 字节，但系统也不在乎，此时，描述符的长度信息对它来说是最重要的，其他的瞄一眼就过了。Windows系统还有个怪癖，当完成第一次的控制传输后，也就是完成控制传输的状态阶段，系统会要求 Hub 对设备进行再一次的复位操作（USB 规范里面可没这要求）。再次复位的目的是使设备进入一个确定的状态。

主机给设备分配一个地址

主机控制器通过 Set_Address 请求向设备分配一个唯一的地址。在完成这次传输之后，设备进入地址状态，之后就启用新地址继续与主机通信。这个地址对于设备来说是终身制的，设备在，地址在；设备消失（被拔出，复位，系统重启），地址被收回。同一个设备当再次被枚举后得到的地址不一定是上次那个了。

主机获取设备的信息

主机发送 Get_Descriptor 请求到新地址读取设备描述符，这次主机发送 Get_Descriptor 请求可算是诚心，它会认真解析设备描述符的内容。设备描述符内信息包括端点 0 的最大包长度，设备所支持的配置个数，设备类型，VID（Vendor ID，由 USB-IF 分配）， PID（Product ID，由厂商自己定制）等信息。

之后主机发送 Get_Descriptor 请求，读取配置描述符，字符串等，逐一了解设备更详细的信息。事实上，对于配置描述符的标准请求中，有时wLength 一项会大于实际配置描述符的长度（9 字节），比如 255。这样的效果便是：主机发送了一个 Get_Descriptor_Configuration 的请求，设备会把接口描述符，端点描述符等后续描述符一并回给主机，主机则根据描述符头部的标志判断送上来的具体是何种描述符。

主机给设备挂载驱动（复合设备除外）

主机通过解析描述符后对设备有了足够的了解，会选择一个最合适的驱动给设备。在驱动的选择过程中，Windows 系统会和系统 INF 文件里的厂商 ID，产品 ID，有时甚至用到设备返回来的产品版本号进行匹配。如果没有匹配的选项，Windows 会根据设备返回来的类，子类，协议值信息选择。如果该设备以前在系统上成功枚举过，操作系统会根据以前记录的登记信息而非 INF 文件挂载驱动。当操作系统给设备指定了驱动之后，就由驱动来负责对设备的访问。

对于复合设备，通常应该是不同的接口配置给不同的驱动，因此，需要等到当设备被配置并把接口使能后才可以把驱动挂载上去。

实际情况没有上述关系复杂。一般来说，一个设备就一个配置，一个接口，如果设备是多功能符合设备，则有多个接口。端点一般都有好几个，比如 Mass Storage 设备一般就有两个端点（控制端点 0 除外）。

设备驱动选择一个配置

驱动（注意，这里是驱动，之后的事情都是有驱动来接管负责与设备的通信）根据前面设备回复的信息，发送 Set_Configuration 请求来正式确定选择设备的哪个配置作为工作配置（对于大多数设备来说，一般只有一个配置被定义）。至此，设备处于配置状态，当然，设备也应该使能它的各个接口。

对于复合设备，主机会在这个时候根据设备接口信息，给它们挂载驱动。

通信协议 > USB 协议

#通信协议 #USB 协议

USB 协议简介

http://example.com/2024/11/21/USB-协议简介/

作者

Yu xin

发布于

2024年11月21日

许可协议

RK3399 通过网线与电脑连接上一篇

J-Link RTT 详解和使用下一篇

USB 协议简介

一、USB 架构

二、物理特性

1、USB 接口

2、USB 信号

3、USB 字节序

4、USB 信号的编码

5、USB 设备检测

6、USB 速度

7、USB端口颜色编码标识

三、通信协议

1、域

2 、包

2.1 PID 域

2.2 Address 域

2.3 Frame Number 域

2.4 Data 域

2.5 CRC 域

3、事务

4、传输

4.1 控制传输

4.2 批量传输

4.3 中断传输

4.4 同步传输

四、USB 请求

五、USB 描述符

1、设备描述符

2、配置描述符

3、接口描述符

4、接口关联描述符

5、端点描述符

6、设备限定描述符

7、字符串描述符

六、USB 枚举

主机给设备挂载驱动（复合设备除外）

设备驱动选择一个配置