1、 -USB 入门系列- USB 概述：USB 是什么呢？一说 USB 是 You SB 的意思，即“你傻 B”的意思。另一种说法是 USB 其实是美国的弟弟，因为美国叫 USA，USB 当然是他的弟弟了。那么 USB 到底是什么呢？其实 USB 是通用串行总线(Universal Serial Bus)的简写，它已经有了 10 多年的历史了。USB 协议出现过的版本有 USB1.0，USB1.1，USB2.0。由于 USB 是主从模式，设备与设备之间、主机与主机之间不能互连，为了解决这个问题，扩大 USB 的使用范围，就出现了 USB OTG(On The Go)。USB OTG 的做法是，同
2、一个设备，在不同的场合下可以在主机或从机之间切换。在 USB1.0 和 USB1.1 版本中，只支持 1.5Mbps 的低速(Low Speed)模式和 12Mbps 的全速(Full Speed)模式。在 USB2.0 中，又加入了 480Mbps 的高速（High Speed）模式。值得注意的是，USB2.0 并不是高速设备的代名词，详述请看误区一文。USB 具有很多优点，例如即插即用，容易使用，方便携带，传输速度快，可扩展性强，标准统一，价格便宜等等。目前流行的 USB 设备有移动硬盘，数码相机，MP3，U 盘，USB 鼠标、键盘、游戏杆，USB MIDI 键盘，USB 摄相头，USB
3、打印机，USB 扫描仪，USB 声卡，USB 话筒，USB 网卡，USB 显示器，USB 电话，具有 USB 口的各种仪表仪器等等，只要是能跟电脑打交道的，就基本上可以通过 USB 来实现，足见 USB 功能的强大。然而 USB 也有一些缺点，例如传输距离短，开发、调试较困难等等。当然，它还有一个更大的缺点，那就是你发现要找出它的缺点是件很令人头疼的事情。要开发 USB，一个网站是开发者必须要知道的，那就是小组：http:/ USB 开发者论坛，网址是 Http:/www.usb.org。此外，还有其它一些 USB 相关的网站也不错，例如驱动程序开发网：http:/ww / USB，看书是少
4、不了的。推荐一本叫做计算机 USB 系统原理及其主/从机设计（马伟 编著，北京航天航空大学出版社）的书，我得这本书写得很不错，而且也不贵，只要 29.5￥，如果你去 http:/ 网站购书的话，还可以打 7.5 折，只需 22￥。至于协议，我还是推荐大家看英文原版的，这样理解起来更准确。当然现在也有好多协议翻译的书，大家可以在网上搜索一下。也有很多电子版的，这样可以节省一些钱。我们的口号是：“现在 USB 技术已经很流行了，就像以前的串口一样。以前的电子工程师不会搞串口通信就落伍了，而现在的电子工程师如果不会搞 USB 通信，那就落伍了。电子工程师门，还等什么，赶紧加入小组来学习 USB 吧”
5、，恩，这个口号有点长，将就一下吧。-USB 是一种主从结构。主机叫做 Host，从机叫做 Device（也叫做设备），集线器也被当作一种特殊的设备处理。USB 的数据交换只能发生在主机和设备之间，主机和主机，设备和设备之间不能互连。为了在物理上区分主机和设备，使用了不同的插头和插座，这个在 USB 的连接器一节中会讲到。所有的数据传输都由主机主动发起，而设备只是被动的负责应答。例如，在读数据时，USB 主机先发出读命令，设备收到该命令后，才返回数据。在 USB OTG 中，一个设备可以在从机和主机之间切换，这样就可以实现设备与设备之间的连接，大大增加了 USB 的使用范围，但这时依然没有脱离这
6、种主从关系，两个设备之间必然有一个作为主机，另一个作为从机。USB OTG 增加了一种 MINI USB 接头，比普通的 4 线 USB 多了一个 ID 表识线，用来表明它是主机还是设备 ，这个以后会讲到。USB 的拓扑结构为金字塔型。由一个 USB 主控制器出发，下面接 USB 集线器，USB 集线器将一个 USB 口扩展为多个 USB 口，多个 USB 口又可以通过集线器为更多个接口。但 USB 协议中对集线器的层数是有限制的，USB1.1 规定最多为 4 层，USB2.0 规定最多为 6 层。理论上，一个 USB 主控制器最多可接 127 个设备，这是由数据包中的 7 位地址位决定的，但
7、是实际上不会接这么多的设备。我们所说的一个 USB 主控制器可以连接多个 USB 设备，并不是直接简单的将多个设备并联或者串联，而是要由集线器负责端口扩展，才能连接更多的设备。在我们的电脑上，也有一个（或者多个，视 USB 主控制器的个数而定）集线器，它叫做根集线器，直接连在 USB 主控制器上。在设备管理器中，我们可以看到 USB 主控制器和根集线器。如下图所示。USB 数据传输路径如下：USB 主控制器发出数据包，通过根集线器，再通过下面的集线器（如果有的话），再发给 USB 设备；设备返回数据，交给它上层的集线器，上层的集线器再交给更上层的集线器，直到 USB 主控制器为止。而 USB
8、主控制器就可以跟 CPU 打交道了。在标准的 PC 机上，USB 主控制器是挂在 PCI 总线上的。在 Windows 中，USB 由各种驱动程序负责管理，最后由驱动程序产生功能设备(FDO)，这就是我们所看到的实际设备了。我们的应用程序就可以通过 Windows 提供的各种 API 进行访问 USB 设备了，例如 CreateFile，ReadFile，DeviceIOControl 等等。标准的 USB 使用 4 根线：5V 电源线(Vbus),差分数据线负(D-)，差分数据线正(D+)，地(Gnd)。在 USB OTG 中，又增加了一种 mini 接口，使用的是 5 根线，比标准的 US
9、B 多了一根身份识别(ID)线。USB 使用的是差分传输模式，有两根数据线，分别是 D+和 D-。在 USB 的 低速和全速模式中，采用的是电压传输模式。而在高速模式下，则是电流传输模式。关于具体的高低电平门限值，请参看 USB 协议。为了防止出现长时间的 0 或者 1(这样不利于时钟信号的提取)，在发送数据前要经过位填充处理。然后再将数据串行化，发送到数据线上，由两根数据线的差分值来表示 0 或者 1。而在接收端，则刚好是相反的过程。接收端采样数据线，将数据并行化，并同时去掉未填充，然后解析数据。通常，我们使用现成的 USB 芯片，像位填充，串行化这些芯片内部的硬件已经帮我们做好了，因此通常
10、我们并不用关心这些细节。在设备接收数据时，芯片的串行接口引擎(SIE)会接收属于自己地址的数据，并根据相应的端口号，放到相应的缓冲区内，并返回 ACK 给主机进行确认，然后产生中断请求，通知我们的程序，已经收到数据包了。在我们还未处理完缓冲区的数据之前，如果再收到对该端点的输出请求，USB 芯片将会使用 NAK 返回，告诉主机端点现在忙，主机检测到 NAK 后，过段时间会重试输出数据，直到超时为止；发送数据时，用户将数据写入 USB 芯片的缓冲区，并通知 USB 芯片缓冲区内数据可用，然后 USB 芯片检测到主机请求对应的端点输入时，它就会将数据返回，数据发送完毕并收到主机的 ACK 确认之后
11、，产生中断请求通知应用程序数据已经发送完毕。如果 USB 芯片已经收到了输入请求，但是用户程序还未填充好缓冲区，它也会用 NAK 返回，告诉主机数据还未准备好。主机收到 NAK 后，过段时间会重试，直到超时为止。在 USB 协议中规定，设备在未配置之前，可以从 Vbus 上最多获取 100mA 的电流；在配置之后，最多可从 Vbus 上获取 500mA 的电流。Vbus 是 5V 的电压，具体的参数请参看 USB 协议。USB 的线缆以及插头、插座USB 是一个标准的协议，因此对线缆、插头、插座等有严格的规范要求。在最初的标准里，USB 接头有 4 条线：电源，D-，D+ ，地线。我们暂且把这
12、样的叫做标准的 USB 接头吧。后来 OTG 出现了，又增加了 miniUSB 接头。而 miniUSB 接头则有 5 条线，多了一条 ID 线，用来标识身份用的。标准 USB 口只有 A 型和 B 型。其中每一型又分为插头和插座，例如 A 型插头，A 型插座等。我们平常电脑上用的那种插座叫做 A 型 USB 插座，而相应的插头，叫做 A 型插头，例如 U 盘上那种。而像打印机上面那个插座，则是 B 型插座(比较四方的，没电脑上面那种扁)，相应的插头，就是 B 型插头。也许你见过一头方一头扁的 USB 延长线，没错了，扁的那头就叫做 A 型插头，而方的那头，就叫做 B 型插头，而相应的被插的那
13、两个插座，就分别是 A 型插座和 B 型插座了。A 型插头是插不进 B 型插座的，反之亦然。miniUSB 也分为 A 型，B 型，但增加了一个 AB 型（不是血型呀，别搞错了，没有 O 型_）。既然它叫做 miniUSB,那么当然它就是很小的了，主要是给便携式设备用的，例如 MP3、手机、数码相机等。USB 是一主多从结构，即一个时刻只能有一台主机。像 PC 机就是一个主机，其它的只能是设备，因而两个设备之间是无法直接进行通信的。而 USB OTG(on the go)的出现，则解决了这个矛盾：一个设备可以在某种场合下，改变身份，以主机的形式出现。因而就出现了 AB 型的 miniUSB 插
14、座，不管是 A 型 miniUSB 插头，还是 B 型 miniUSB 插头，都可以插进去，而靠里面多出的那条 ID 线来识别它的身份：是主机还是从机。这样两个 USB 设备就可以直接连接起来，进行数据传送了。 像我们 MP3 上用的那中 miniUSB 插座，就是 B 型的 miniUSB 插座(注意,有一类 miniUSB 插座，似乎不是 USB 规范里面的，因为 miniUSB 接头应该有 5 条线,而这种插座只有 4 条线)。由于 USB 是支持热插拔的，因此它在接头的设计上也有相应的措施。USB 插头的地引脚和电源引脚比较长，而两个数据引脚则比较短，这样在插入到插座中时，首先接通电源
15、和地，然后再接通两个数据线。这样就可以保证电源在数据线之前接通，防止闩锁发生。至于 USB 电缆，通常我们不怎么关心，买现成的就行了，除非你是生产 USB 线缆的。在全速模式下需要使用带屏蔽的双绞电缆线，而低速模式模式则可以不使用屏蔽和双绞。此外，USB 协议规定，USB低速电缆长度不得超过 3 米，而全速电缆长度不得超过 5 米。这是因为线缆传输有延迟，要保证能够正确响应，就不能延迟太多。USB 标准规定了里面信号线的颜色，其中 Vbus 为红色，D- 为白色，D+为绿色，GND 为黑色。然而，我见过很多 USB 线缆并没有遵循标准，所以大家在使用时要小心，用表测量一下比较可靠。更详细的数据
16、，例如封装尺寸等，请参看 USB 协议。附图：各种 USB 插头和插座，来自 USB 协议。USB 设备的插入检测机制USB 主机是如何检测到设备的插入的呢？首先，在 USB 集线器的每个下游端口的 D+和 D-上，分别接了一个 15K 欧姆的下拉电阻到地。这样，在集线器的端口悬空时，就被这两个下拉电阻拉到了低电平。而在 USB 设备端，在 D+或者 D-上接了 1.5K 欧姆上拉电阻。对于全速和高速设备，上拉电阻是接在 D+上；而低速设备则是上拉电阻接在 D-上(也就是说， USB 集线器的 D+、D-都下拉 15K,而全速 /设备描述符的字节数大小BYTE bDescriptorType;
17、 /设备描述符类型编号WORD bcdUSB; /USB 版本号BYTE bDeviceClass; /USB 分配的设备类代码BYTE bDeviceSubClass; /USB 分配的子类代码BYTE bDeviceProtocol; /USB 分配的设备协议代码BYTE bMaxPacketSize0; /端点 0 的最大包大小WORD idVendor; /厂商编号WORD idProduct; /产品编号WORD bcdDevice; /设备出厂编号BYTE iManufacturer; /设备厂商字符串的索引BYTE iProduct; /描述产品字符串的索引BYTE iSeria
18、lNumber; /描述设备序列号字符串的索引BYTE bNumConfigurations; /可能的配置数量DEVICE_DESCRIPTOR_STRUCT, * pDEVICE_DESCRIPTOR_STRUCT;/实际的设备描述符示例code DEVICE_DESCRIPTOR_STRUCT device_descriptor= /设备描述符sizeof(DEVICE_DESCRIPTOR_STRUCT), /设备描述符的字节数大小，这里是 18 字节DEVICE_DESCRIPTOR, /设备描述符类型编号，设备描述符是 010x1001, /USB 版本号，这里是 USB01.10
19、，即 USB1.1。由于 51 是大端模式，所以高低字节交换0x00, /USB 分配的设备类代码，0 表示类型在接口描述符中定义0x00, /USB 分配的子类代码，上面一项为 0 时，本项也要设置为 00x00, /USB 分配的设备协议代码，上面一项为 0 时，本项也要设置为 00x10, /端点 0 的最大包大小，这里为 16 字节0x7104, /厂商编号，这个是需要跟 USB 组织申请的 ID 号，表示厂商代号。0xf0ff, /该产品的编号，跟厂商编号一起配合使用，让主机注册该设备并加载相应的驱动程序0x0100, /设备出厂编号0x01, /设备厂商字符串的索引，在获取字符串描
20、述符时，使用该索引号来识别不同的字符串0x02, /描述产品字符串的索引，同上0x03, /描述设备序列号字符串的索引，同上0x01 /可能的配置数为 1，即该设备只有一个配置;2.配置描述符/定义标准的配置描述符结构typedef struct _CONFIGURATION_DESCRIPTOR_STRUCTBYTE bLength; /配置描述符的字节数大小BYTE bDescriptorType; /配置描述符类型编号WORD wTotalLength; /此配置返回的所有数据大小BYTE bNumInterfaces; /此配置所支持的接口数量BYTE bConfigurationVa
21、lue; /Set_Configuration 命令所需要的参数值BYTE iConfiguration; /描述该配置的字符串的索引值BYTE bmAttributes; /供电模式的选择BYTE MaxPower; /设备从总线提取的最大电流CONFIGURATION_DESCRIPTOR_STRUCT, * pCONFIGURATION_DESCRIPTOR_STRUCT;3.接口描述符/定义标准的接口描述符结构typedef struct _INTERFACE_DESCRIPTOR_STRUCTBYTE bLength; /接口描述符的字节数大小BYTE bDescriptorType
22、; /接口描述符的类型编号BYTE bInterfaceNumber; /该接口的编号BYTE bAlternateSetting; /备用的接口描述符编号BYTE bNumEndpoints; /该接口使用的端点数，不包括端点 0BYTE bInterfaceClass; /接口类型BYTE bInterfaceSubClass; /接口子类型BYTE bInterfaceProtocol; /接口遵循的协议BYTE iInterface; /描述该接口的字符串索引值INTERFACE_DESCRIPTOR_STRUCT, * pINTERFACE_DESCRIPTOR_STRUCT;4.端
23、点描述符/定义标准的端点描述符结构typedef struct _ENDPOINT_DESCRIPTOR_STRUCTBYTE bLegth; /端点描述符字节数大小BYTE bDescriptorType; /端点描述符类型编号BYTE bEndpointAddress; /端点地址及输入输出属性BYTE bmAttributes; /端点的传输类型属性WORD wMaxPacketSize; /端点收、发的最大包大小BYTE bInterval; /主机查询端点的时间间隔ENDPOINT_DESCRIPTOR_STRUCT, * pENDPOINT_DESCRIPTOR_STRUCT;下面
24、是一个配置描述符集合的定义typedef struct _CON_INT_ENDP_DESCRIPTOR_STRUCTCONFIGURATION_DESCRIPTOR_STRUCT onfiguration_descriptor;INTERFACE_DESCRIPTOR_STRUCT terface_descritor;ENDPOINT_DESCRIPTOR_STRUCT point_descriptorENDPOINT_NUMBER; CON_INT_ENDP_DESCRIPTOR_STRUCT;配置描述符集合的示例code CON_INT_ENDP_DESCRIPTOR_STRUCT co
25、n_int_endp_descriptor= /配置描述符集合/configuration_descriptor /配置描述符sizeof(CONFIGURATION_DESCRIPTOR_STRUCT), /配置描述符的字节数大小，这里为 9CONFIGURATION_DESCRIPTOR, /配置描述符类型编号，配置描述符为 2(sizeof(CONFIGURATION_DESCRIPTOR_STRUCT)+sizeof(INTERFACE_DESCRIPTOR_STRUCT)+sizeof(ENDPOINT_DESCRIPTOR_STRUCT)*ENDPOINT_NUMBER)*256+
26、(sizeof(CONFIGURATION_DESCRIPTOR_STRUCT)+sizeof(INTERFACE_DESCRIPTOR_STRUCT)+sizeof(ENDPOINT_DESCRIPTOR_STRUCT)*ENDPOINT_NUMBER)/256, /配置描述符集合的总大 小0x01, /只包含一个接口0x01, /该配置的编号0x00, /iConfiguration 字段0x80, /采用总线供电，不支持远程唤醒0xC8 /从总线获取最大电流 400mA,/interface_descritor /接口描述符sizeof(INTERFACE_DESCRIPTOR_STRU
27、CT), /接口描述符的字节数大小，这里为 9INTERFACE_DESCRIPTOR, /接口描述符类型编号，接口描述符为 30x00, /接口编号为 40x00, /该接口描述符的编号为 0ENDPOINT_NUMBER, /非 0 端点数量为 2，只使用端点主端点输入和输出0x08, /定义为 USB 大容量存储设备0x06, /使用的子类，为简化块命令0x50, /使用的协议，这里使用单批量传输协议0x00 /接口描述符字符串索引，为 0，表示没有字符串,/endpoint_descriptor/主端点输入描述 sizeof(ENDPOINT_DESCRIPTOR_STRUCT), /
28、端点描述符的字节数大小，这里为 7ENDPOINT_DESCRIPTOR, /端点描述符类型编号，端点描述符为 5MAIN_POINT_IN, /端点号，主输入端点ENDPOINT_TYPE_BULK, /使用的传输类型，批量传输0x4000, /该端点支持的最大包尺寸，64 字节0x00 /中断扫描时间，对批量传输无效,/主端点输出描述 sizeof(ENDPOINT_DESCRIPTOR_STRUCT), /端点描述符的字节数大小，这里为 7ENDPOINT_DESCRIPTOR, /端点描述符类型编号，端点描述符为 5MAIN_POINT_OUT, /端点号，主输出端点ENDPOINT_
29、TYPE_BULK, /使用的传输类型，批量传输0x4000, /该端点支持的最大包尺寸，64 字节0x00 /中断扫描时间，对批量传输无效;-其中关于端点的类型定义如下/定义的端点类型#define ENDPOINT_TYPE_CONTROL 0x00 /控制传输#define ENDPOINT_TYPE_ISOCHRONOUS 0x01 /同步传输#define ENDPOINT_TYPE_BULK 0x02 /批量传输#define ENDPOINT_TYPE_INTERRUPT 0x03 /中断传输/的定义如下#define MAIN_POINT_OUT 0x02 /2 号输出端点#define MAIN_POINT_IN 0x82 /2 号输入端点
