第 3 章 USB协议概览

摘要

3.1. USB 2.0协议内容概览

USB协议，由于涉及内容太多，所以在此一个文档中解释清楚，是不现实的。

此处能做的和要做的，就是对于USB协议简明地介绍一下关于USB本身协议部分的内容。

当前最新的USB协议，已经发展到USB 3.0了。但是主流的USB设备和技术，还是以USB 2.0居多。所以此文，主要是以USB 2.0为基础来解释USB协议的基础知识，当然，会在相关内容涉及到USB 3.0的时候，也把USB 3.0的相关内容添加进来。

关于USB 2.0和USB 3.0等USB的协议规范，可以去官网下载：

http://www.usb.org/developers/docs/

其实，说实话，不论是谁，如果开始看USB协议的时候，发现单独对于USB 2.0规范本身这一个文档来说，竟然都有650页，而如果再加上，新的USB 3.0规范的482页，和其他一些辅助的USB相关的规范定义等文档，即使你是英语为母语的人，如果要看完这么多页的协议规范，估计也会吐的，更别说我们中国人了。

所以，此处，就来简单以USB 2.0规范为例，分析一下，具体其都主要包含哪些内容，然后你会发现，其实和USB协议本身相关的内容，相对则不会那么多，大概只有97页左右的内容，是我们所要关心的。

下面就来分析看看，USB 2.0的规范中，具体都包含了哪些内容：

表 3.1. USB 2.0协议的内容组成

章节	名称	内容描述	页数
1	介绍	介绍了为何要有USB以及USB协议内容的涵盖范围。此章节最重要的信息就是，引用了USB Device Class规范。不需要看。	2
2	术语和缩写	名词解释，一般的协议都会有这一章节的。无需看。	8
3	背景	说明了USB的来由，以及目的是为了是USB的用户，注意不是为了是USB的开发者，更加容易使用。介绍了Low，Full，High Speed三种不同的速度以及对应的应用领域。所以也不需要看。	4
4	系统架构综述	可以从这章开始看。此章介绍了USB系统的基本架构，包括拓扑关系，数据速度，数据流类型，基本的电气规范。	10
5	USB数据流模型	此章开始介绍USB中数据是如何流向的。其先介绍了端点和管道，然后对控制，中断，等时，批量四种传输类型进行了详细阐述。其中，重要的一点是，要搞懂每种传输类型，当然，这对于初学者来说可能会有那么一点难。	60
6	机械的	此章详细介绍了USB的两种标准的连接头，即接口的类型，其中需要了解的一点是，A类接口旨在用于数据向下流的（downstream），而B类接口旨在用于数据向上流的（upstream）。因此，你应该知道，不应该也不可能去将一个USB线，连到两个都是upstream的端口上。而所有的full或high speed的USB线，都是可拔插的，而低速的USB线，应该是焊死的。如果你不是USB接口的制造商，那么就没必要细看这章，而只需要大概浏览一下其中关于USB的接口类型的相关内容即可。	33
7	电子的	此章详解了USB总线上的电子信号，包括线阻，上下沿的时间，驱动者和接受者的规范定义，以及比特位编码，比特位填充等。此章中需要知道的，更重要的一点是，关于使用电阻在数据线上的偏压，去实现USB设备的速度类型检测，以及设备是总线供电还是自供电。除非你是在晶元级别上设计USB数据收发模块的相关人士，否则都可以直接跳过此章节。而正常的USB设备的数据手册中，都会有相关的解释，说明关于USB总线阻抗需要匹配电阻的阻值是多少。	75
8	协议层	此章，从字节的级别，解释了USB数据包的细节，包括了同步，PID，地址，端点，CRC域。多数的开发人员都还没注意到这部分的底层的协议层，因为USB的设备中的硬件IC，会帮你做这些事情的。然而，多学习和了解一些关于报告状态和握手协议方面的知识，还是有必要的。。	45
9	USB设备框架工作^[1]	此章，是整个USB协议中，用到的最多的一章。此章详细阐述了USB总线枚举的过程，以及一些USB Request的详细语法和含义，比如set address，get descriptor等，这些相关内容在一起，就构成了最常用的USB的协议层，也是通常USB编程人员和开发者所看到的这一层。此章节，必须详细阅读和学习。	36
10	USB主机的硬件和软件	此章介绍了和USB Host相关的知识。包括了数据帧frame和微帧microframe的产生，主机控制器的需求，软件机制和USB的驱动模型等。如果你不是去设计USB Host的话，那么就直接跳过此章即可。	23
11	Hub规范	此章定义了USB Hub相关的规范，包括了Hub的配置，分离传输，Hub类的标准描述符等。同理，如果你不是去设计USB Hub，那么也可以忽略此章。	143

提示

	提示
关于第九章=chapter 9=ch9，多说明一下，由于其特殊性，特殊在于大部分和USB协议相关的内容，都在此章节内所以，你会在其他地方看到有关此ch9的说法。比如Linux源码中关于USB协议实现的部分的代码，会看到有对应的头文件是 `include\linux\usb\ch9.h` 此文件，就是指的是USB规范中的chapter 9，第九章。这也意味着，以后其他人如果谈及USB的话，说到第九章，指的就是此USB规范中的chapter 9，因为其包含了USB协议的软件实现所有关的多数的内容。

关于第九章=chapter 9=ch9，多说明一下，由于其特殊性，特殊在于大部分和USB协议相关的内容，都在此章节内

所以，你会在其他地方看到有关此ch9的说法。比如Linux源码中关于USB协议实现的部分的代码，会看到有对应的头文件是
include\linux\usb\ch9.h
此文件，就是指的是USB规范中的chapter 9，第九章。

这也意味着，以后其他人如果谈及USB的话，说到第九章，指的就是此USB规范中的chapter 9，因为其包含了USB协议的软件实现所有关的多数的内容。

所以，由上述总结，我们可以看出：

对于只是为USB外设开发驱动的开发者的话，那么有关的章节只有：

4 系统架构综述
5 USB数据流模型
9 USB设备框架工作
10 USB主机的硬件和软件

如果是对于USB外设的电子设计研发人员，有关系的章节有：

4 系统架构综述
5 USB数据流模型
6 机械的
7 电子的

这么一来，如果是打算做USB设备驱动开发的话，其实我们要看的，只是USB 2.0规范中的一部分，大概有10+60+36+23=129页，所以，相对来说，还算能够接受，至少比要看那600页，要少了很多。

当然，这其中的内容，也还是不少。

而下面这些内容，就是将其中最基本的内容，精简出来，以方便想要快速了解USB基础知识的人，尽快地，更加清晰地，了解到USB的基础知识。


2.2. USB相关的软件		3.2. USB协议的版本和支持的速度