一、 基础知识

1. USB

USB：Universal Serial Bus，中文译为“通用串行总线”，USB设备最显著的优点是具有热插拔功能、传输速率快。USB是主从结构的系统，具有主机和设备这两个角色，即Host和Device。此外，还有两类特殊的USB设备，分别是USB集线器设备(USB Hub)和USB OTG设备。

USB目前的协议版本有：USB1.0、USB1.1、USB2.0、USB3.0。USB1.0和USB1.1只有低速模式(Low-Speed Mode)和全速模式(Full-Speed Mode)，理论上最大传输速率分别为1.5Mbps和12Mbps。USB2.0引入了传输速度更快的高速模式(High-Speed Mode)，理论上最大传输速率为480Mbps。而USB3.0在速度的提升上，实现了重大飞跃，最大传输速率理论值高达5Gbps。需要注意的是，这些都是理论值，实际开发过程中，很难达到这些理论值（需要自己去做性能上的优化）。

在实际开发过程中，不同的传输类型有不同的传输速率，每一次的数据交互，都是一个相当复杂的过程，有令牌包的解析、数据包的传输、握手包的回应等等，这些都是额外的消耗，因此，传输速度是不可能达到理论值。USB有四种传输类型，分别是控制传输、中断传输、块传输、等时传输。

先从Device开发开始，再逐步深入，研究Host的实现。

 

2. USB的电气特性

USB使用差分传输模式，有两条数据线，分别是：

1）USB数据正信号线，USB Data Positive，即USB-DP线，简写为D+ 2）USB数据负信号线，USB Data Minus，   即USB-DM线，简写为D-

剩下的就是电源线(5V-Vbus)和地线(GND)。对于USB OTG设备，会多出一根ID线。

 

3. USB主机端硬件控制器类型

分别是：OHCI  UHCI  EHCI  XHCI。

与协议规定标准接口的对应: OHCI、UHCI都是USB1.1的接口标准；而EHCI是对应USB2.0的接口标准；最新的xHCI是USB3.0的接口标准。

 

3.1 OHCI

OHCI：Open Host Controller Interface，是USB1.1的标准，不仅仅是针对USB，还支持其他的接口，比如支持Apple的火线（Firewire，IEEE 1394）接口。与UHCI相比，OHCI的硬件复杂，很多事情都交给硬件来做，所以实现对应的软件驱动的任务，就相对较简单。主要用于非x86的USB，如扩展卡、嵌入式开发板的USB主控。

 

3.2 UHCI

UHCI：Universal Host Controller Interface，是Intel主导的对USB1.0、1.1的接口标准，与OHCI不兼容。UHCI在软件驱动层面就需要做的比较多，需要做得比较复杂。

 

3.3 EHCI

EHCI：Enhanced Host Controller Interface，是Intel主导的USB2.0的接口标准。EHCI仅提供USB2.0的高速功能，而依靠UHCI或OHCI来提供对全速（full-speed）或低速（low-speed）设备的支持。

 

3.4 xHCI

xHCI：eXtensible Host Controller Interface，是最新USB3.0的接口标准，它在速度、节能、虚拟化等方面都比前面3中有了较大的提高。xHCI支持所有种类速度的USB设备(USB 3.0的 SuperSpeed; USB 2.0 Low-、Full-、and High-speed; USB 1.1 Low- and Full-speed)。xHCI的目的是为了替换前面3种类型（UHCI/OHCI/EHCI）。

 

4. 识别设备的速度模式

对于设备(Device)而言，按照速度来划分，工作在低速模式下的设备称之为低速设备；工作在全速模式下的设备称之为全速设备；同理，工作在高速模式下的设备称之为高速设备；对于主机(Host)而言，只有全速主机和高速主机两种。

 

4.1 识别低速和全速设备

主机的D+和D-都接有15K下拉电阻；全速USB设备的数据线D+接有1.5K的上拉电阻，一旦接入主机，主机的D+被拉高；低速USB设备的数据线D-接有1.5K的上拉电阻，一旦接入主机，主机的D-会被拉高。因此，主机就可以根据检测到自己的D+为高还是D-为高，从而判断接入的设备是一个全速还是低速设备。硬件结构图如下：

                                                                                                        图：有USB低速设备接入

 

 

 

                                                                                                        图：有USB全速设备接入

 

4.2 识别高速设备

刚开始时，高速设备以全速模式连接到主机，D+有上拉电阻。主机检测到全速设备连接上之后，对设备进行复位，USB设备收到复位信号，主动发起高速模式的握手协议进行速度识别。接下来，就取决于主机端了，如果主机的USB控制器支持高速模式传输，则主机会与该高速设备交互完成高速模式握手协议，之后，两者都工作在高速模式下；如果主机不支持高速模式传输（如果主机上没有EHCI类型的控制器，像比较老旧的电脑，并且是XP系统的），那么握手协议就会失败，设备端也不会切换到高速模式，之后两者都工作在全速模式下。

如果是一个全速设备接到高速主机，设备端没法发起高速握手协议，所以，最终设备和主机都会工作在全速模式下；主机具有多种控制器类型，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（配置寄存器的时候，需要注意的地方）。

 

5. USB设备的分类

这是从USB协议描述符文档中摘取出来的一张 USB device Class表。

 

注：

(1) 在小型的嵌入式系统（UC-OS、Free-TROS等）中开发USB，常用的有HID、UAC、MSC，即鼠标键盘、多媒体键值、USB声卡/麦克风、U盘。而且，对于小型的嵌入式操作系统，大都是开发Device，当然也可以开发Host（对MCU的片内资源就要求比较高）。如果是针对嵌入式Linux系统，那么能做的东西就很多了，视频、网卡等。

(2) 不同的类有不同的用途，不同的应用场合，对应不同的产品形态。有自己特殊的描述符，比如对于HID类，有报告描述符。有自己特殊的类请求，比如UAC的设置音量请求。

 

6. USB的数据传输方式

USB总线是串行总线（跟串口一样），数据是一位一位地在数据线上进行传输的。LSB在前，最低位先发出，接下来是次低位，最后才是最高位（MSB）。

 

7. 常见术语

（1）Host等同于主机、Device等同于设备。

（2）注意一些中英文单词的对应，比如：

HID：Human Interface Deviece UAC：Usb Audio Class MSC：Mass Storage Class 设备：Device        设备描述符：Device Descriptor  配置：Configuration  配置描述符：Configuration Descriptor  字符串：String      字符串描述符：String Descriptor  接口：Interface      接口描述符：Interface Descriptor  端点：Endpoint      端点描述符：Endpoint Descriptor  报告：Report        报告描述符：Report Descriptor …………………………………………………………………………………………………..