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USB-IF

Others

USB标准名称变更：

USB 1.0 -> USB 2.0 Low-Speed

USB 1.1 -> USB 2.0 Full-Speed

USB 2.0 -> USB 2.0 High-Speed

USB 3.0 -> USB 3.1 Gen1 -> USB 3.2 Gen1

USB 3.1 -> USB 3.1 Gen2 -> USB 3.2 Gen2 × 1

USB 3.2 -> USB 3.2 Gen2 × 2

USB OTG中增加了一种MINI USB接头，使用5条线，比标准USB多一条身份识别线。

USB协议规定，设备在未配置前，可以从Vbus最多获取100mA电流，配置之后，最多可以获得500mA电流。Vbus是5V的电压。

枚举就是从设备读取各种描述符信息。

Control transfer：低速8字节，高速64字节，全速8/16/32/64字节。

Isochronous Transfer：全速1023字节，高速1024字节，低速不支持。

Interrupt Transfer：低速上限8字节，全速上限64字节，高速上限1024字节。

Bulk transfer：高速512字节，全速8/16/32/64字节，低速不支持。

Chapter3 Background

USB 接口可用于连接多达 127 种外设。

Chapter4 Architectural Overview

4.1.1 Bus Topology 总线拓扑

  • USB Host
  • USB Device
    • Hub：用来扩展USB接口，最多接5层hub，如上图。
    • Function：USB设备。

4.2.1 Electrical

USB 2.0协议支持3种速率：

  • 低速(Low Speed，1.5Mbps)，兼容USB1.0
  • 全速(Full Speed, 12Mbps)，兼容USB1.1
  • 高速(High Speed, 480Mbps)

USB 2.0 host controllers和hubs提供能力使full speed和low speed的数据能

以high speed的速率在host controller和hub之间传递，

以full speed和low speed的速率在hub和device之间传递。

Chapter5 USB Data Flow Model

5.3.1 Device Endpoints

Endpoint 只支持一种方向的数据流通，input or output。除endpoint0，input+output。

endpoint 描述的内容有：

  • 总线访问频率/延迟要求
  • 带宽要求
  • endpoint number
  • Error handling
  • 最大的packet size
  • 数据传输方向

5.3.2 Pipes

  • Stream

    传输的data没有USB-defined structure

  • Message

    传输的data有USB-defined structure

Chapter7 Electrical

7.1 Signaling

High Speed电路图。

Hub D+, D-信号线上有右下两个15k Rpd下拉电阻，所以默认电平为0。

device D+信号线上有1.5k Rpu上拉电阻，接上后D+被拉高。运行后会被Rpu_enable移除。

Spec Table 7.1对各元器件功能有详细解释。

高速设备D+, D-各有Rs 45Ω的下拉电阻，用来消除反射信号：

当断开高速设备后，Hub发出信号，得到的反射信号无法衰减，Hub监测到这些信号后就知道高速设备已经断开。对应上图的Rs和Disconnection Envelope Detector。当差分信号线的幅值超过625mV，意味着断开。

7.1.5.1 Low-/Full-speed Device Speed Identification

Full/High-speed device D+ 上有1.5k Rpu上拉。

Low-speed device D- 上有1.5k Rpu上拉。

用于attach时区分不同速率的设备。

7.1.7 Signaling levels

7.1.7.1 Low-/Full-speed Signaling Levels

7.1.7.2 High-speed Signaling Levels

7.1.7.4 Data Signaling

7.1.7.4.1 Low-/Full-Speed Signaling

SOP：Start Of Packet，Hub驱动D+、D-这两条线路从Idle状态变为K状态。SOP中的K状态就是SYNC信号的第1位数据，SYNC格式为3对KJ外加2个K。

EOP：End Of Packet，由数据的发送方发出EOP，数据发送方驱动D+、D-这两条线路，先设为SE0状态并维持2位时间，再设置为J状态并维持1位时间，最后D+、D-变为高阻状态，这时由线路的上下拉电阻使得总线进入Idle状态。

7.1.7.4.2 High-speed Signaling

7.1.7.5 Reset

整个reset过程，host需要拉低D+的时间\(T_{DRST}\) 至少 > 10ms。

High-speed capable hubs and devices在reset过程中还会执行一套reset protocol：

  1. Hub确认接的设备不是Low-speed, 如果是low-speed，不会有下面的reset握手协议。
  2. Hub把D+拉低，进入SE0状态。
  3. Device检测到SE0:
    1. 如果device是从suspend状态进入reset，那么device在不少于2.5us后进行high-speed detection handshake。
    2. 如果device是从non-suspend full-speed状态进入reset，那么device需要在2.5us~3ms之间进入handshake。
    3. 如果device是从non-suspend high-speed状态进入reset，那么device必须在3ms~3.125ms之间恢复full-spped，通过断开高速终端电阻以及重新接上D+的上拉电阻。接着在100us-875us内开始检测SE0状态，进入handshake。
  4. Device往D-灌电流，形成一个800mv左右的ChripK信号, 该信号保持1~7ms。
  5. Hub检测到ChripK信号后，100us内需要发送三对KJ(k-J-K-J-K-J)。每个单独的J或K都要保持40~60us。KJ对打完之后，在500us内断开D+上拉电阻，使能高速终端电阻，进入高速状态。

7.1.7.6 Suspend

7.1.7.7 Resume

7.1.8 Data encoding 数据编码

NRZI编码，电平信号不变表示1，跳变表示0。

7.1.9 Bit Stuffing 位填充

连续传送6个1后，会填充一个0强制翻转信号。

Chapter8 Protocol Layer

8.2 SYNC field

对于低速/全速设备，SYNC信号是8位数据(从做到右是00000001)；对于高速设备，SYNC信号是32位数据(从左到右是00000000000000000000000000000001)。使用NRZI编码时，前面每个"0"都对应一个跳变。

同步域这样可以用来同步主机端和设备端的数据时钟。

8.3 Packet Field Formats

8.3.1 PID

PID表示了包的类型。

PID后四位为前四位的取反。

8.3.2 Address fields

8.3.2.1 Address Field

8.3.2.2 Endpoint Field

8.3.3 Frame Number Field

11 bits。

8.3.4 Data Field

0-1024 bytes。

8.4 Packet Formats

8.4.1 Token Packets

  • OUT
    • 通知设备将要输出一个数据包。
  • IN
    • 通知设备返回一个数据包。
  • SETUP
    • 只用于控制传输，跟OUT令牌包作用一样，通知设备将要输出一个数据包。区别在于SETUP后只使用DATA0数据包，且只能发送到设备的endpoint，并且设备必须接收。

8.4.3 SOF packets

  • SOF
    • 以广播的形式发送，所有USB全速设备和高速设备都可以收到SOF包。host在full-speed bus每ms产生一个帧，在high-speed bus每125us产生一个微帧。USB主机会对当前帧号进行计数，在每次帧开始时（或者微帧开始时，每毫秒有8个微帧，这8个微帧的帧号是相同的，即相同的SOF）。

8.4.4 Data Packets

low-speed 最大8bytes。

full-speed 最大1023bytes。

high-speed 最大1024bytes。

8.4.5 Handshake Packets

  • ACK

    表示正确接受数据，并且有足够空间来容纳数据。主机和设备都可以用ACK来确认。而NAK, STALL, NYET只有设备能够返回。

  • NAK

    表示设备无法从主机端接收数据，或者设备没有数据返回给主机。

  • STALL

    表示设备无法执行这个请求，或者端点已经被挂起了，表示一种错误的状态。如果端点的Halt feature被设置了，会返回STALL。

  • NYET

    只在high-speed输出事务中使用，表示设备本次数据成功接收，但是没有足够空间来接收下一次数据。主机在下一次输出数据时，将先使用PING令牌包来试探设备是否有足够空间接收数据。

8.4.6 Handshake Response

8.4.6.1 Function Response to IN Transactions

8.4.6.2 Host Response to IN Transactions

8.4.6.3 Function Response to an OUT Transaction

第三行对应If the transaction is maintaining sequence bit synchronization and a mismatch is detected (refer to Section 8.6 for details), then the function returns ACK and discards the data。

8.5.2 Bulk Transactions

BULK IN:

host端发送IN令牌包，device回应data或者NAK, STALL。NAK表示目前无法返回data，STALL表示endpoint已经被挂起了。

如果host端成功收到data，会回一个ACK握手包。如果有错误，不会返回握手包。

BULK OUT:

host端发送OUT令牌包，紧接着data包或者PING包。

如果device端正确收到data，可能会回四种握手包：

  • ACK: 数据正确，通知host可以发送下一个包。

  • NAK: 数据正确，但通知host需要重新发送数据，因为device端没能接收成功(比如 buffer full)。

  • STALL: endpoint挂起。

  • NYET: 只在high speed中存在。

数据包类型在DATA0和DATA1之间切换。

8.5.3 Control Transfer

Control 是transfer而不是transaction的原因是，control transfer由多个事务(transaction)组成。包括SETUP stage（SETUP事务），data stage（1个或者多个IN/OUT事务），status stage（1个IN事务）。Data Stage是可选的。

而Bulk/interrupt/isochronous transfer都是由对应的单独一个Bulk/interrupt/isochronous transaction组成。

下图为SETUP事务流程，Setup Stage必须是DATA0。如果device端正确收到SETUP data, 回复ACK握手包。如果数据错误丢弃数据并且不发送握手包。

对应下图的Setup Stage。

Data stage：由一个或多个IN or OUT事务组成，和bulk transfer相同。

Status stage：始终使用DATA1包，方向与前一个stage相反(如果没有data stage，则为IN)。见上图。

8.5.3.1 Reporting Status Results

status stage返回host Setup和Data stage的结果。

Control write在status stage的data phase返回status信息。

Control read在status stage的handshake phase返回status信息。

8.5.4 Interrupt Transactions

和bulk transaction区别是没有PING和NYET两个包，interrupt 是周期性地发起传输。而不是传统的设备发出中断请求，cpu处理中断。所以USB的中断实际意义是实时查询操作。

8.5.5 Isochronous Transactions

没有handshake阶段。

Chapter9 Device Framework

USB的状态切换图：

9.3 USB Device Requests

  • bmRequestType：区分方向，type，device/interface/endpoint。

  • bRequest: 具体的事件，只定义了bmRequestType D[6:5]为Standard的情况。

  • wValue: 传递一些需要的值。

  • wIndex: 分为endpoint和interface，两种的wIndex不同。

endpoint:

D7: 0:OUT 1:IN 在control pipe中direction应该被设为0，即OUT事件。但device可以接收0或1。

interface:

  • wLength: control transfer第二段传递data0的字节数。如果wLength为0, 不需要传递数据，没有数据传输的阶段（注意这里的数据传输阶段是control transfer 中data0那段，是SETUP stage中那段）。

    INPUT request wLength不能超过wLength字节数，可以比wLength少。

    OUTPUT request wLength正确表示host传递给device的字节数。

9.4 Standard Device Requests

9.4.1 Clear Feature

在Address state下合法。Recipient为device or ep0合法，看Table9-6。

Test_Mode feature 不能被ClearFeature()清除。

9.4.2 Get configuration

9.4.3 Get Descriptor

wValue high byte是描述符的类型，具体参考Table9-5.

low byte是index

9.4.5 Get Status

bmRequestType为Device，device返回的信息。

bmRequestType为Interface，status为0。

bmRequestType为endpoint，返回是否halt。

所有interrupt和bulk endpoints都要实现Halt feature。

Default control pipe，即ep0 in and ep0 out，不需要也不推荐实现Halt feature。

9.4.6 Set Address

Default stage: 传递的地址不为0则进入Address stage， 为0则保持在Default stage。

Address stage: 传递的地址为0则进入Default stage，不为0则保持在Address stage，并更换新的地址。

地址不能超过127。

9.4.7 Set Configuration

9.6 Standard USB Descriptor Definitions

9.6.1 Device 设备描述符

9.6.2 Device_qualifer

9.6.3 Configuration 配置描述符

9.6.5 Interface 接口描述符

接口对应一种function。

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9.6.6 Endpoint 端点描述符

9.6.7 String 字符串描述符