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USB in 3mins

Johnny Chang
13 min readAug 4, 2023

USB Protocol 說明
USB support — The Linux Kernel documentation

USB 硬體線路

  • USB2.0的部分
  • USB3.0的部分
  • 與USB 2.0 的480Mb/s 半雙工廣播相比，USB 3.0 具有5 Gb/s 的全雙工點對點傳送速率。

USB插拔事件

  • Master：在USB主機端，D+和D-信號線通過15KΩ的下拉電阻連接到GND（0V），這個下拉電阻的作用是將D+和D-信號線拉低，形成低電平。
  • Slave（外部設備）：在USB從機端，D+和D-信號線通過1.5KΩ的上拉電阻連接到3.3V電源，這個上拉電阻的作用是將D+和D-信號線拉高，形成高電平。
  • 插拔事件檢測：當從機設備插入到主機時，從機的上拉電阻將D+和D-信號線拉高到3.3V附近，主機端的下拉電阻則將D+和D-信號線拉低到0V。因此，當插入時，D+和D-信號線之間的電壓差會變為約3V，這個變化會被主機端檢測到，從而觸發USB插拔事件。
  • Low Speed Slave: Pull up接到D-
  • High Speed Slave: Pull up接到D+

NRZI USB Encode 在 Probe USB訊號時注意NRZI

NRZI（Non-Return-to-Zero Inverted）是一種數據編碼技術，主要用於將二進位數據轉換為適合在通信媒介上傳輸的電信號。NRZI 編碼的主要功能是確保傳輸中的時鐘同步，同時減少長時間連續的相同位元（0 或 1），以避免數據傳輸中的時序問題。

NRZI 編碼的原理如下：

  • 傳輸規則：
  1. 當原始二進位數據為 1 時，NRZI 將保持電信號不變。

2. 當原始二進位數據為 0時，NRZI 會進行信號反轉（從高電位到低電位或從低電位到高電位）。

  • 特點：
  1. NRZI 編碼的主要特點是它不會返回至零位（Return-to-Zero），而是在每個位元的開始位置進行轉換。

2. 連續的 0 或 1 不會在信號中產生額外的過渡，以確保時鐘同步性。

3. 當在數據中發現7個連續的「1」時，接下來會再第6個1後面自動插入一個「0」，稱為「Bit Stuffing」。

4. 接收端在接收到「6個連續的1」後，會自動刪除插入的「0」，還原原始數據。

USB 通訊地址

  • 主機為所有從機分配唯一的裝置地址，通過該地址來存取從機。
     以PC為例，一般PC的USB裝置可能包括滑鼠、鍵盤、HUB擴充套件、藍芽/WiFi介面卡等。
  • 主機給所有已連線的從機分配裝置地址，並確保不會重複。對剛接入還沒來得及分配地址的從機，主機使用預設地址<Addr0>與之通訊。交換少量的資訊後，主機分配新地址，然後雙方用新地址（Addr1~AddrN）通訊。
    Q: 列舉成功後，Slave再次拔插還可以用之前分配的地址通訊嗎？
    A: 主機會重新分配裝置地址，但可能分配的碰巧就是之前的地址。
  • 主機通過<裝置地址（Address），裝置端點（Endpoint）>存取指定從機的指定介面（功能）。
    假設裝置A是USB複合裝置，同時支援滑鼠、鍵盤、CDC功能，那麼主機給裝置A分配裝置地址後，使用Endpoint來存取Slave A的其中一個功能（比如鍵盤功能）
    Q:主機未識別從機的功能之前用什麼端點通訊？
    A: 與預設地址0一樣，從機也會有預設端點0（Default Endpoint, EP0）。準確來講，對初次接入的從機，雙方通過<Addr0，EP0>進行通訊。

USB 通訊過程

  • 一次完整的通訊分為三個過程：請求過程（Token Packet）、資料過程（Data Packet）和狀態過程（Status Packet）。
  • 主機傳送Token開始請求過程， 與USB全速裝置通訊時，
    主機將每秒等分為1000個幀（Frame）。
    主機在每幀開始時，向所有從機廣播一個幀起始令牌包（Start Of Frame，SOF包）。
    它的作用有兩個：
    1. 是通知所有Slave，主機的USB匯流排正常工作
    2. 是Slave以此同步主機的時序。
    USB高速裝置通訊時，主機將幀進一步等分為8個微幀（Microframe），每個微幀佔125 μs。在同一幀內，8個微幀的幀號都等於當前SOF包的幀號。
  • 就算沒有要傳輸資料，主機還是會一個一個詢問狀況
  • Packet 最小的傳輸單位，之後的討論都會將Sync Bit省略
  • Token Packet
  • 用PID來識別OUT、IN、SOF與SETUP處理。
  • SOF Token Packet
    Q: 為什麼PID是4bit的，欄位長度卻有8bit？
    A: 因為PID欄位高4bit是低4bit的校驗位：pid(i+4) = ~pid(i)。
    Q: 為什麼CRC不校驗PID欄位？
    A: 因為PID欄位本身帶有校驗位。
#pragma data_alignment=1
typedef struct _USB_Token_SOF_t{
    uint8_t  bPID;          // 0xA5, SOF（0101B）
    uint16_t b11FrameID:11; // 幀號
    uint16_t b5CRC:5;       // wFrameID欄位（11bit）的CRC校驗碼
}USB_Token_SOF_t;
  • OUT/IN/SETUP Toke Packet
    在Enumeraqtor過程中，主機使用SETUP包請求從機的資訊。列舉成功後，主機使用IN包請求輸入資料，OUT包請求輸出資料。
#pragma data_alignment=1    //對齊方式為Byte
typedef struct _USB_Token_t{
    uint8_t bPID;           // 0xE1, OUT    (0001B);
                               0x69, IN     (1001B);
                               0x2D, SETUP  (1101B);
    uint16_t b7Addr:7;      // 要存取的裝置地址
    uint16_t b4Endpoint:4;  // 要存取的端點號
    uint16_t b5CRC:5;       // wFrameID欄位（11bit）的CRC校驗碼
}USB_Token_t;
  • 如果是Setup PID Token，需要接Request Packet
#pragma data_alignment=1    //對齊方式為Byte
typedef struct _USB_Request_t{
    uint8_t  bmRequestType; // 請求型別
    uint8_t  bRequest;      // 具體請求，參考USB 2.0 Spec 下表
    uint16_t wIndex;        // 內容和Request有關
    uint16_t wLength;       // 資料過程可傳輸的最大位元組數
}USB_Request_t;

typedef struct _bmRequestType_t{
    uint8_t b5Recipient:5;  // 0 = Device, 1 = Interface
                               2 = Endpoint, 3 = Other
                               4..31 = Reserved
    uint8_t b2Type:2;       // 0 = Standard, 1 = Class
                               2 = Vendor, 3 = Reserved
    uint8_t b1Direction:1;  // 0 = Host-to-device
                               1 = Device-to-host
}bmRequestType_t;
  • Data Packet
    Q: 為什麼要分DATA0和DATA1？
    A: 在USB Full Speed中，Data Packet以DATA0、DATA1的PID交替傳送。當接收方連續收到兩個PID相同的DATA包時，就知道Packet Loss.
#pragma data_alignment=1    //對齊方式為Byte
typedef struct _USB_Data_Packet_t{
    uint8_t bPID;           // 0xC3, DATA0 (0011B); even
                               0x4B, DATA1 (1011B); odd
                               0x87, DATA2 (0111B); for usb high speed
                               0x0F, MDATA (1111B); for usb high speed
    uint8_t bData[];        // 0 ~ 8192B
    uint16_t wCRC16;        // bData欄位的CRC校驗碼
}USB_Data_Packet_t;

USB Descriptor

  • Device Descriptor
    當bDeviceClass為0時，需要再Interface Descriptor Defined
#pragma data_alignment=1    //對齊方式為Byte
typedef struct _USB_Desc_Device_t {
    uint8_t   bLength;                  // 固定值18B
    uint8_t   bDescriptorType;          // 固定值Device(0x01)
    uint16_t  wBcdUSB;                  // USB Spec版本
    uint8_t   bDeviceClass;             // 裝置型別
    uint8_t   bDeviceSubClass;          // 裝置子型別
    uint8_t   bDeviceProtocol;          // 協定型別
    uint8_t   bMaxPacketSize0;           // EP0的最大包長度
    uint16_t  wIdVendor;                // 廠商ID
    uint16_t  wIdProduct;               // 產品ID
    uint16_t  wBcdDevice;               // 裝置軟體版本
    uint8_t   bStringIndexManufacturer; // 廠商名稱字串索引號
    uint8_t   bStringIndexProduct;      // 產品名稱字串索引號
    uint8_t   bStringIndexSerialNumber; // 序列號索字串引號
    uint8_t   bNumConfigurations        // 設定數量>=1
}USB_Desc_Device_t;
  • Configuration Descriptor
#pragma data_alignment=1    //對齊方式為Byte
typedef struct _USB_Desc_Configuration_t {
    uint8_t   bLength;                 // 固定值9B
    uint8_t   bDescriptorType;         // 固定值Configuration(0x02)
    uint16_t  wTotalConfigurationSize; // 設定集合的總大小
    uint8_t   bTotalInterfaces;        // 設定集合的介面數量
    uint8_t   bConfigurationNumber;    // 當前設定的序號（從1開始）
    uint8_t   bConfigurationStrIndex;  // 設定名稱的字串索引號
    uint8_t   bConfigAttributes;       // 設定集合的屬性
    uint8_t   bMaxPowerConsumption;    // 最大供電電流，單位是2mA
}USB_Desc_Configuration_t;

// 設定集合的屬性
typedef struct _bConfigAttributes_t{
    uint8_t   b5reserved:5;            // 保留置0
    uint8_t   b1RemoteWakeup:1;        // 置1表示支援遠端喚醒
    uint8_t   b1Selfpowerd:1;          // 置1表示支援自己供電
    uint8_t   b1reserved:1;            // 保留置1
}bConfigAttributes_t;
#pragma data_alignment=1    //對齊方式為Byte
typedef struct _USB_Desc_Interface_t {
    uint8_t bLength;                // 固定值9B
    uint8_t bDescriptorType;        // 固定值Interface(0x04)
    uint8_t bInterfaceNum;          // 介面索引號
    uint8_t bAlternateSetting;      // 備用介面號
    uint8_t bNumberEndpoints;       // 端點數量
    uint8_t bInterfaceClass;        // 介面型別
    uint8_t bInterfaceSubclass;     // 介面子型別
    uint8_t bInterfaceProtocol;     // 介面協定
    uint8_t bInterfaceStringIndex;  // 介面名稱的字串索引號
}USB_Desc_Interface_t;
  • Endpoint Descriptor
#pragma data_alignment=1    //對齊方式為Byte
//參考USB Spec 2.0 Table 9-13
typedef struct _USB_Desc_Endpoint_t{
    uint8_t  bLength;           // 固定值7B
    uint8_t  bDescriptorType;   // 固定值Endpoint(0x05)
    uint8_t  bEndpointAddress;  // 端點地址
    uint8_t  bmAttributes;      // 端點屬性
    uint16_t wMaxPacketSize;    // 端點支援的最大包大小
    uint8_t  bInterval;         // 輪詢間擱（僅中斷端點有效）
}USB_Desc_Endpoint_t;

// 端點地址
typedef struct _bEndpointAddress_t{
    uint8_t b4EndpointNumber:4; // 端點號
    uint8_t b3Reserved:3;       // 保留置0
    uint8_t b1Direction:1;      // 傳輸方向（IN/OUT）
}bEndpointAddress_t;
// 端點屬性
typedef struct _bmAttributes_t{
    uint8_t b2TransferType:2;   // 傳輸型別
                                ** 00 = Control
                                ** 01 = Isochronous
                                ** 10 = Bulk
                                ** 11 = Interrupt
                               
    uint8_t b2SynchronizationType:2; // 僅iso傳輸有效
    uint8_t b2UsageType:2;      // 僅iso傳輸有效
    uint8_t b2Reserved:2;       // 保留置0
}bmAttributes_t;
USB
Embedded Systems

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