第一篇 USB基礎(chǔ)知識

        USB：UniversalSerial Bus，中文譯為“通用串行總線”，USB設(shè)備最顯著的優(yōu)點(diǎn)是具有熱插拔功能、傳輸速率快。USB是主從結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)，具有主機(jī)和設(shè)備這兩個角色，即Host和Device。此外，還有兩類特殊的USB設(shè)備，分別是USB集線器設(shè)備(USB Hub)和USB OTG設(shè)備。

        USB協(xié)議版本有：USB1.0、USB1.、USB2.0、USB3.0。USB1.0和USB1.1只有低速模式(Low-SpeedMode)和全速模式(Full-Speed Mode)，理論上最大傳輸速率分別為1.5Mbps和12Mbps。USB2.0引入了傳輸速度更快的高速模式(High-Speed Mode)，理論上最大傳輸速率為480Mbps。而USB3.0在速度的提升上，實(shí)現(xiàn)了重大飛躍，最大傳輸速率理論值高達(dá)5Gbps。需要注意的是，這些都是理論值，實(shí)際開發(fā)過程中，不可能達(dá)到這些理論值。      

        在實(shí)際開發(fā)過程中，不同的傳輸類型有不同的傳輸速率，每一次的數(shù)據(jù)交互，都是一個相當(dāng)復(fù)雜的過程，有令牌包的解析、數(shù)據(jù)包的傳輸、握手包的發(fā)送等等，這些都是額外的消耗，因此，傳輸速度是不可能達(dá)到理論值。USB有四種傳輸類型，分別是控制傳輸、中斷傳輸、塊傳輸、等時傳輸。

        先學(xué)習(xí)Device開發(fā)，再研究Host的實(shí)現(xiàn)。

USB使用差分傳輸模式，有兩條數(shù)據(jù)線，分別是：

剩下的就是電源線(5V-Vbus)和地線(GND)。對于USB OTG設(shè)備，會多出一根ID線。

分別有：OHCI  UHCI  EHCI XHCI。USB協(xié)議版本：1.0/ 1.1/ 2.0/ 3.0

與協(xié)議規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)接口的對應(yīng)OHCI、UHCI都是USB1.1的接口標(biāo)準(zhǔn)；而EHCI是對應(yīng)USB2.0的接口標(biāo)準(zhǔn)；最新的xHCI是USB3.0的接口標(biāo)準(zhǔn)。

        OHCI：Open Host Controller Interface，是USB1.1的標(biāo)準(zhǔn)，不僅僅是針對USB，還支持其他的接口，比如支持Apple的火線（Firewire，IEEE 1394）接口。與UHCI相比，OHCI的硬件復(fù)雜，硬件做的事情更多，所以實(shí)現(xiàn)對應(yīng)的軟件驅(qū)動的任務(wù)，就相對較簡單。主要用于非x86的USB，如擴(kuò)展卡、嵌入式開發(fā)板的USB主控。

        UHCI：Universal Host ControllerInterface，是Intel主導(dǎo)的對USB1.0、1.1的接口標(biāo)準(zhǔn)，與OHCI不兼容。UHCI的軟件驅(qū)動的任務(wù)重，需要做得比較復(fù)雜，但可以使用較便宜、較簡單的硬件的USB控制器。Intel和VIA使用UHCI，而其余的硬件提供商使用OHCI。

        EHCI：Enhanced Host Controller Interface，是Intel主導(dǎo)的USB2.0的接口標(biāo)準(zhǔn)。EHCI僅提供USB2.0的高速功能，而依靠UHCI或OHCI來提供對全速（full-speed）或低速（low-speed）設(shè)備的支持。

        xHCI：eXtensible Host ControllerInterface，是最新USB3.0的接口標(biāo)準(zhǔn)，它在速度、節(jié)能、虛擬化等方面都比前面3中有了較大的提高。xHCI支持所有種類速度的USB設(shè)備(USB 3.0的 SuperSpeed; USB 2.0 Low-、Full-、andHigh-speed; USB 1.1 Low- and Full-speed)。xHCI的目的是為了替換前面3種類型（UHCI/OHCI/EHCI）。

        對于設(shè)備(Device)而言，按照速度來劃分，工作在低速模式下的設(shè)備稱之為低速設(shè)備；工作在全速模式下的設(shè)備稱之為全速設(shè)備；同理，工作在高速模式下的設(shè)備稱之為高速設(shè)備。

        對于主機(jī)(Host)而言，只有全速主機(jī)和高速主機(jī)兩種。

         主機(jī)的D+和D-都接有15K下拉電阻；全速USB設(shè)備的數(shù)據(jù)線D+接有1.5K的上拉電阻，一旦接入主機(jī)，主機(jī)的D+被拉高；低速USB設(shè)備的數(shù)據(jù)線D-接有1.5K的上拉電阻，一旦接入主機(jī)，主機(jī)的D-會被拉高。因此，主機(jī)就可以根據(jù)檢測到自己的D+為高還是D-為高，從而判斷接入的設(shè)備是一個全速還是低速設(shè)備。硬件結(jié)構(gòu)圖如下：

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2020-7-31 15:28 上傳

圖：有USB低速設(shè)備接入

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2020-7-31 15:29 上傳

圖：有USB全速設(shè)備接入

         剛開始時，高速設(shè)備以全速模式連接到主機(jī)，D+有上拉電阻。主機(jī)檢測到全速設(shè)備連接上之后，對設(shè)備進(jìn)行復(fù)位，USB設(shè)備收到復(fù)位信號，主動發(fā)起高速模式的握手協(xié)議進(jìn)行速度識別。接下來，就取決于主機(jī)端了，如果主機(jī)的USB控制器支持高速模式傳輸，則主機(jī)會與該高速設(shè)備交互完成高速模式握手協(xié)議，之后，兩者都工作在高速模式下；如果主機(jī)不支持高速模式傳輸（如果主機(jī)上沒有EHCI類型的控制器，像比較老舊的電腦，并且是XP系統(tǒng)的），那么握手協(xié)議就會失敗，設(shè)備端也不會切換到高速模式，之后兩者都工作在全速模式下。

         如果是一個全速設(shè)備接到高速主機(jī)，設(shè)備端沒法發(fā)起高速握手協(xié)議，所以，最終設(shè)備和主機(jī)都會工作在全速模式下。主機(jī)具有多種控制器類型，能工作在全速/高速模式下。

        全速和高速控制器，都是DP上拉，低速才是DM上拉（配置寄存器的時候，需要注意的地方）。