USB協(xié)議架構及驅動(dòng)架構

1. USB協(xié)議

1.1 USB主機系統

在USB主機系統中，通過(guò)根集線(xiàn)器與外部USB從機設備相連的處理芯片，稱(chēng)為USB主機控制器。USB主機控制器包含硬件、軟件和固件一部分。

1.2 USB設備系統

USB設備按功能分為兩部分：集線(xiàn)器(Hub)和功能部件。從下圖可知，主機通過(guò)根集線(xiàn)器連接到各種外圍設備(集線(xiàn)器和功能部件)。

1.3 主機和設備之間通信模型

主機與設備之間的通信模型

上圖展示了USB主機和USB設備之間的數據傳輸過(guò)程。在設備端，USB設備將非USB格式的數據進(jìn)行打包處理，轉換成USB格式的數據包，然后傳遞到鏈路層，經(jīng)過(guò)硬件處理、傳遞到物理層，由物理層通過(guò)PHY以數據流的形式傳輸到主機。

USB主機在USB設備和USB主機之間發(fā)起的傳輸過(guò)程，穩為事務(wù)。每次事務(wù)以2到3個(gè)數據包的形式進(jìn)行USB總線(xiàn)傳輸。每個(gè)數據包包含2到3個(gè)步驟：
1) USB主機控制器向USB設備發(fā)出命令
2) USB控制器和USB設備之間傳遞讀寫(xiě)請求，其方向取決于第一部分的命令是讀還是寫(xiě)
3) 握手信號。
USB主機控制器向USB設備發(fā)送事務(wù)類(lèi)型請求，通過(guò)分組標識符來(lái)進(jìn)行識別。

1.4 USB分組標識

主機和設備之間進(jìn)行操作，通過(guò)分組標識(PID)來(lái)進(jìn)行傳輸。數據包傳輸格式一般由：PID、數據/控制信息、CRC校驗碼組成。
常見(jiàn)的PID主要包括令牌、數據、握手等類(lèi)型組成。PID碼以特定的方式組成，如下表所示：

PID分組碼是數據傳輸流程中的重要元素。無(wú)論硬件還是軟件，都要對PID分組碼進(jìn)行分析，從而做出正確響應。USB主機和設備嚴格按照PID分組碼信息進(jìn)行信息交互。

1.5 數據包傳輸模式

當USB設備連接到集線(xiàn)器，集線(xiàn)器狀態(tài)將發(fā)生相應的變化，并將狀態(tài)變化信息傳遞給USB主機。USB主機通過(guò)根集線(xiàn)器向USB設備發(fā)送命令，獲取USB設備的各種信息，包含USB設備傳輸類(lèi)型、ID號、Product、USB速度等信息。
USB主機和USB設備之間的數據傳輸共有四種類(lèi)型：控制傳輸、批量傳輸、中斷傳輸和同頻傳輸。與之對應，USB主機和USB設備之間有四種事務(wù)：控制事務(wù)、批量事務(wù)、中斷事務(wù)和同步事務(wù)。

1.5.1 批量(Bulk)傳輸

作用：主要用于非實(shí)時(shí)性傳輸，數據包較大而延時(shí)要求較低。
特點(diǎn)：數據傳輸準備即可，采用批量傳輸模式的USB從機設備，如U盤(pán)
數據傳輸分三個(gè)階段：
a)令牌階段：主機發(fā)送請求，USB設備依據請求PID來(lái)判斷IN或OUT傳輸
b)數據傳輸階段：依據令牌階段的IN或OUT傳輸，來(lái)決定數據傳輸為DATA0或DATA1來(lái)進(jìn)行數據傳輸
c)握手階段：接收信息的一方發(fā)送ACK信號以表示接收成功；若為NAK，表示發(fā)送失??；STALL表示不可預知的錯誤

1.5.2 控制(Control)傳輸

作用：USB傳輸過(guò)程必須支持的傳輸模式。USB主機為了獲取設備描述符、ID、Product等信息，向USB設備發(fā)送相應的PID命令。
特點(diǎn)：唯一可以進(jìn)行IN/OUT傳輸的傳輸模式。
數據寬度：控制傳輸方式可以以8、16、32或64字節的數據進(jìn)行傳輸，這取決于設備的傳輸速度。
USB主機和設備之間必須支持控制傳輸，通過(guò)端點(diǎn)0進(jìn)行數據傳輸?？刂苽鬏敺譃榱钆?、數據傳輸和握手階段。

1.5.3 中斷傳輸事務(wù)

作用：按照一定時(shí)刻輪詢(xún)設備是否有中斷傳輸請求
特點(diǎn)：查詢(xún)頻率取決于端點(diǎn)的模式結構，從1到255ms不等
中斷傳輸主要用于實(shí)時(shí)性要求非常高的從機設備，如鍵盤(pán)操縱桿和Mouse等
傳輸過(guò)程也分為令牌階段、數據傳輸和握手階段

1.6 USB描述符

USB協(xié)議中共定義了以下四種描述符：
1) 設備描述符
2) 配置描述符
3) 接口描述符
4) 端點(diǎn)描述符

其關(guān)系如下圖所示：

1.6.1 設備描述符

每個(gè)USB設備都有一個(gè)唯一的設備描述符，如下表所示：

1.6.2 配置描述符

每個(gè)USB設備都有默認的配置描述符，支持至少一個(gè)接口，每個(gè)配置描述符如下表：

1.6.3 接口描述符

設備應至少支持一個(gè)接口，如：塊傳輸數據接口，部分設備可能支持其它的接口。復合設備可以支持額外接口，以支持音頻和視頻功能。標準中并沒(méi)有定義此類(lèi)接口。接口可能有多個(gè)可選設置，主機將會(huì )檢查每個(gè)可選的設置。

1.6.4 端點(diǎn)描述符

每個(gè)設備至少支持控制端點(diǎn)0。USB設備應該支持三類(lèi)端點(diǎn)：控制端點(diǎn)、輸入端點(diǎn)和輸出端點(diǎn)。

2. OTG協(xié)議

OTG設備采用Mini-AB插座，相對于傳統的USB數據線(xiàn)，Mini-AB接口多了一根數據線(xiàn)ID，ID線(xiàn)是否接入將Mini-AB接口分為Mini-A和Mini-B接口兩種類(lèi)型。在OTG設備之間數據連接的過(guò)程中，通過(guò)OTG數據線(xiàn)Mini-A和Mini-B接口來(lái)確定OTG設備的主從：接入Mini-A接口的設備默認為A設備(主機設備)；接入Mini-B接口的設備，默認為B設備(從設備)。

A設備和B設備無(wú)需交換電纜接口，即可通過(guò)主機交換協(xié)議(HNP)實(shí)現A、B設備之間的角色互換。同時(shí)，為了節省電源，OTG允許總線(xiàn)空閑時(shí)A設備判斷電源。此時(shí)，若B設備希望使用總線(xiàn)，可以通過(guò)會(huì )話(huà)請求協(xié)議(SRP)請求A設備提供電源。

2.1 HNP(主機交換)協(xié)議

當Mini-A接口接入A設備并確定A設備為主機時(shí)；若B設備希望成為主機，則A設備向B設備發(fā)送SetFeature命令，允許B設備進(jìn)行主機交換。B設備檢測到總線(xiàn)掛起5ms后，即掛起D+并啟動(dòng)HNP，使總線(xiàn)處于SE0狀態(tài)。此時(shí)A設備檢測到總線(xiàn)處于SE0狀態(tài)，即認為B設備發(fā)起主機交換，A設備進(jìn)行響應。待B設備發(fā)現D+線(xiàn)為高電平而D-線(xiàn)為低電平(J狀態(tài))，表示A設備識別了B設備的HNP請求。B設備開(kāi)始總線(xiàn)復位并具有總線(xiàn)控制權，主機交換協(xié)議完成。

2.2 SRP(會(huì )話(huà)請求)協(xié)議

對于主機，要求能響應會(huì )話(huà)請求；對于設備，僅要求能夠發(fā)起SRP協(xié)議。OTG設備，不僅要求發(fā)起SRP，而且還能響應SRP請求。
SRP分為數據線(xiàn)脈沖調制和電壓脈沖調兩種方式，B設備發(fā)起SRP必須滿(mǎn)足以下兩個(gè)條件：
1) B設備檢測到A設備低于其有效的電壓閾值，同時(shí)B設備低于有效的電壓閾值。
2) B設備必須檢測到D+和D-數據線(xiàn)至少在2ms的時(shí)間內低于有效閾值，即處于SE0狀態(tài)。

數據線(xiàn)脈沖調制會(huì )話(huà)請求：B設備必須等到滿(mǎn)足以上兩個(gè)條件后，將數據線(xiàn)接入上拉電阻一定的時(shí)間，以備A設備過(guò)濾數據線(xiàn)上的瞬間電壓。與此同時(shí)，B設備上拉D+以便于在全速模式下進(jìn)行初始化操作。A設備在檢測到D+變?yōu)楦唠娖交駾-變?yōu)榈碗娖綍r(shí)產(chǎn)生SRP指示信號。

Vbus脈沖調制會(huì )話(huà)請求：B設備同樣需等待滿(mǎn)足上述兩個(gè)初始化條件，然后B設備通過(guò)對電容充電以提高總線(xiàn)電壓，待達到總線(xiàn)上的電壓閾值，喚醒A設備。在充電過(guò)程中，一定要保證充電的電壓峰值在一定的范圍以避免燒壞A設備。

3. USB驅動(dòng)架構

USB驅動(dòng)架構如下圖所示：

3.1 USB主機端驅動(dòng)

USB核心(USBD)是整個(gè)USB驅動(dòng)的核心部分，從上圖可知，一方面USBD對接收到USB主機控制器的數據進(jìn)行處理，并傳遞給上層的設備端驅動(dòng)軟件；同時(shí)也接收來(lái)自上層的非USB格式數據流，進(jìn)行相應的數據處理后傳遞給USB主機控制器驅動(dòng)。