USB 驱动基本知识

USB 基本知识

USB的重要关键概念:

1、端点，位于USB设备或主机上的一个数据缓冲区，用来存放和发送USB

的各种数据，每一个端点都有惟一的确定地址，有不同的传输特性（如输入端点、输出端点、配置端点、批量传输端点）

2、帧，时间概念，在USB中，一帧就是1MS，它是一个独立的单元，包含

了一系列总线动作，USB将1帧分为好几份，每一份中是一个USB的传输动作。

3、上行、下行：设备到主机为上行，主机到设备为下行

一条USB的传输线分别由地线、电源线、D+、D-四条线构成，D+和D-是差分输入线，它使用的是3.3V的电压（注意哦，与CMOS的5V电平不同），而

电源线和地线可向设备提供5V电压，最大电流为500MA（可以在编程中设置的，至于硬件的实现机制，就不要管它了）。数据在USB线里传送是由低位到高位发送的。

USB数据是由二进制数字串构成的，首先数字串构成域（有七种），域再

构成包，包再构成事务（IN、OUT、SETUP），事务最后构成传输（中断传输、并行传输、批量传输和控制传输）。下面简单介绍一下域、包、事务、传输，

请注意他们之间的关系。

一、域是USB数据最小的单位，由若干位组成（至于是多少位由具体的域决定），域可分为七个类型：

1、同步域（SYNC），八位，值固定为0000 0001，用于本地时钟与输入同步

2、标识域（PID），由四位标识符+四位标识符反码构成，表明包的类型和格式。

3、地址域（ADDR）：七位地址，代表了设备在主机上的地址，地址000

0000被命名为零地址，是任何一个设备第一次连接到主机时，在被主机配置、

枚举前的默认地址。

4、端点域（ENDP），四位，由此可知一个USB设备有的端点数量最大为16个。

5、帧号域（FRAM），11位，每一个帧都有一个特定的帧号，帧号域最大容

量0x800。

6、数据域（DATA）：长度为0~1023字节，在不同的传输类型中，数据域的

长度各不相同，但必须为整数个字节的长度

7、校验域（CRC）：对令牌包和数据包中非PID域进行校验的一种方法。

二、包由域构成，有四种类型，分别是令牌包、数据包、握手包和特殊包，前

面三种是重要的包，不同的包的域结构不同，介绍如下

包，可分为输入包、输出包、设置包和帧起始包（注意这里的输入包是用于设

置输入命令的，输出包是用来设置输出命令的，而不是放据数的），其中输入包、输出包和设置包的格式都是一样的：SYNC+PID+ADDR+ENDP+CRC5

（五位的校验码）

1、帧起始包的格式：

SYNC+PID+11位FRAM+CRC5（五位的校验码）

2、数据包：分为DATA0包和DATA1包，当USB发送数据的时候，当一次

发送的数据长度大于相应端点的容量时，就需要把数据包分为好几个包，分批

发送，DATA0包和DATA1包交替发送，即如果第一个数据包是DATA0，那

第二个数据包就是DATA1。但也有例外情况，在同步传输中（四类传输类型中

之一），所有的数据包都是为DATA0，格式如下：

SYNC+PID+0~1023字节+CRC16

3、握手包：结构最为简单的包，格式如下

SYNC+PID

三、事务分为IN事务、OUT事务和SETUP事务三大事务，每一种事务都由

令牌包、数据包、握手包构成，每个包的发送有一定的时间先后顺序，因此事

务分为三个阶段：

1、令牌包阶段：启动一个输入、输出或设置的事务

2、数据包阶段：按输入、输出发送相应的数据

3、握手包阶段：返回数据接收情况，在同步传输的IN和OUT事务中没有这

个阶段，这是比较特殊的。

1、 IN事务：

令牌包阶段：主机发送一个PID为IN的输入包给设备，通知设备要往主机发

送数据。

数据包阶段：设备根据情况会作出三种应答（要注意：数据包阶段也不总是传

送数据的，

根据传输情况还会提前进入握手包阶段）

A、设备端点正常，设备往入主机里面发出数据包（DATA0与DATA1交替）。

B、设备正在忙，无法往主机发出数据包就发送NAK无效包，IN事务提前结束。

C、相应设备端点被禁止，发送错误包STALL包，事务也就提前结束了，总线进入空闲状态。

握手包阶段：主机正确接收到数据之后就会向设备发送ACK包。

2、 OUT事务：

令牌包阶段：主机发送一个PID为OUT的输出包给设备，通知设备要接收数据；

数据包阶段：比较简单，就是主机会设备送数据，DATA0与DATA1交替

握手包阶段：设备根据情况会作出三种反应

A、设备端点接收正确，设备往入主机返回ACK，通知主机可以发送新的数据，如果数据包

发生了CRC校验错误，将不返回任何握手信息；

B、设备正在忙，无法往主机发出数据包就发送NAK无效包，通知主机再次发

送数据；

C、相应设备端点被禁止，发送错误包STALL包，事务提前结束，总线直接进入空闲状态。

3、 SETUT事务：

A、令牌包阶段：主机发送一个PID为SETUP的输出包给设备，通知设备要

接收数据；

B、数据包阶段：比较简单，就是主机会设备送数据，注意，这里只有一个固

定为8个字节的DATA0包，这8个字节的内容就是标准的USB设备请求命令，共有11条。

C、握手包阶段：设备接收到主机的命令信息后，返回ACK，此后总线进入空

闲状态，并准备下一个传输（在SETUP事务后通常是一个IN或OUT事务构

成的传输）。

四、传输：传输由OUT、IN、SETUP事务其中的事务构成，传输有四种类型：中断传输、批量传输、同步传输、控制传输，中断传输和批量转输的结构一样，同步传输有最简单的结构，而控制传输是最重要的也是最复杂的传输。

1、中断传输：由OUT事务和IN事务构成，用于键盘、鼠标等HID设备的数

据传输中

2、批量传输：由OUT事务和IN事务构成，用于大容量数据传输，没有固定

的传输速率，也不占用带宽，当总线忙时，USB会优先进行其他类型的数据传输，而暂时停止批量转输。

3、同步传输：由OUT事务和IN事务构成，有两个特殊地方，第一，在同步

传输的IN和OUT事务中是没有返回包阶段的；第二，在数据包阶段所有的数

据包都为DATA0

4、控制传输：最重要的也是最复杂的传输，控制传输由三个阶段构成（初始

设置阶段、可选数据阶段、状态信息步骤），每一个阶段可以看成一个的传输，控制传输其实是由三个传输构成的，用来于USB设备初次加接到主机之后，主机通过控制传输来交换信息，设备地址和读取设备的描述符，使得主机识别设备，并安装相应的驱动程序，这是每一个USB开发者都要关心的问题。

1、初始设置：就是一个由SET事务构成的传输

2、可选数据：就是一个由IN或OUT事务构成的传输，这个步骤是可选的，

要看初始设置步骤有没有要求读/写数据（由SET事务的数据包阶段发送的标

准请求命令决定）

3、状态信息：获取状态信息，由IN或OUT事务构成的传输，但是要注意这

里的IN和OUT事务和之前的INT和OUT事务有两点不同：

A、传输方向相反，通常IN表示设备往主机送数据，OUT表示主机往设备送数据；在这里，IN表示主机往设备送数据，而OUT表示设备往主机送数据。

B、在这个里，数据包阶段的数据包都是0长度的，即SYNC+PID+CRC16

总结：USB的最小单元是“域”，由“域”构成了“包”，在由“包”构成了“事务”，最后由“事务”构成了“传输”，在应用层面，我们看到的只是传输，所以USB协议栈就需要完成传输以下的所有事情。这对标准的USB协议栈提出了最基本的要求。

USB主机

USB的所有数据通信（不论是上行通信还是下行通信）都由USB主机启动，所以USB主机在整个数据传输过程中占据着主导地位。在USB系统中只允许有一个主机。从开发人员的角度看，USB主机可分为三个不同的功能模块：客户软件、USB系统软件和USB总线接口。

(1) 客户软件

客户软件负责和USB设备的功能单元进行通信，以实现其特定功能。一般由开发人员自行开发。客户软件不能直接访问USB设备，其与USB设备功能单元的通信必须经过USB系统软件和USB总线接口模块才能实现。客户软件一般包括USB设备驱动程序和界面应用程序两部分。

USB设备驱动程序负责和USB系统软件进行通信。通常，它向USB总线驱动程序发出I/O请求包（IRP）以启动一次USB数据传输。此外，根据数据传输的方向，它还应提供一个或空或满的数据缓冲区以存储这些数据。

界面应用程序负责和USB设备驱动程序进行通信，以控制USB设备。它是最上层的软件，只能看到向USB设备发送的原始数据和从USB设备接收的最终数据。

(2) USB系统软件

USB系统软件负责和USB逻辑设备进行配置通信，并管理客户软件启动的数据传输。USB逻辑设备是程序员与USB设备打交道的部分。USB系统软件一般包括USB总线驱动程序和USB主控制器驱动程序这两部分。这些软件通常由操作系统提供，开发人员不必掌握。

(3) USB总线接口

USB总线接口包括主控制器和根集线器两部分。根集线器为USB系统提供连接起点，用于给USB系统提供一个或多个连接点（端口）。主控制器负责完成

主机和USB设备之间数据的实际传输，包括对传输的数据进行串行编解码、差错控制等。该部分与USB系统软件的接口依赖于主控制器的硬件实现，开发人员不必掌握。

USB设备

在终端用户看来，USB设备为主机提供了多种多样的附加功能，如文件传输、

声音播放等，但对USB主机来说，它与所有USB设备的接口都是一致的。一

个USB设备由三个功能模块组成：USB总线接口、USB逻辑设备和功能单元。这里的USB总线接口指的是USB设备中的串行接口引擎（SIE）；USB逻辑

设备被USB系统软件看作是一个端点的集合；功能单元被客户软件看作是一个接口的集合。SIE、端点和接口都是USB设备的组成单元。

为了更好地描述USB设备的特征，USB提出了设备架构的概念。从这个角度

来看，可以认为USB设备是由一些配置、接口和端点组成的，即一个USB设

备可以含有一个或多个配置，在每个配置中可含有一个或多个接口，在每个接

口中可含有若干个端点。其中，配置和接口是对USB设备功能的抽象，实际的数据传输由端点来完成。在使用USB设备前，必须指明其采用的配置和接口。这个步骤一般是在设备接入主机时设备进行自检时完成的，我们在后面会进一

步介绍。

USB设备使用各种描述符来说明其设备架构，包括设备描述符、配置描述符、

接口描述符、端点描述符以及字符串描述符，它们通常被保存在USB设备的固件程序中。

①设备

设备代表一个USB设备，它由一个或多个配置组成。设备描述符用于说明设备的总体信息，并指明其所含的配置的个数。一个USB设备只能有一个设备描述符。

②配置

一个USB设备可以包含一个或多个配置，如USB设备的低功耗模式和高功耗

模式可分别对应一个配置。在使用USB设备前，必须为其选择一个合适的配置。配置描述符用于说明USB设备中各个配置的特性，如配置所含接口的个数等。USB设备的每一个配置都必须有一个配置描述符。

③接口

一个配置可以包含一个或多个接口，如对一个光驱来说，当用于文件传输时使

用其大容量存储接口；而当用于播放CD时，使用其音频接口。接口是端点的

集合，可以包含一个或多个可替换设置，用户能够在USB处于配置状态时，改变当前接口所含的个数和特性。接口描述符用于说明USB设备中各个接口的特

性，如接口所属的设备类及其子类等。USB设备的每个接口都必须有一个接口

描述符。

④端点

端点是USB设备中的实际物理单元，USB数据传输就是在主机和USB设备各

个端点之间进行的。端点一般由USB接口芯片提供，例如Freescale的

MC68HC908JB8。USB设备中的每一个端点都有唯一的端点号，每个端点所

支持的数据传输方向一般而言也是确定的：或是输入（IN）或是输出（OUT），也有些芯片提供的端点的数据方向是可以配置的，例如MC68HC908JB8包含

有两个用于数据收发的端点：端点1和端点2。其中端点1只能用于数据发送，即支持输入（IN），端点2既能用于数据发送也可用于数据接收，即支持输入（IN）和输出（OUT）操作。需要注意的是，在这里数据的传输方向是站在主

机的立场上来看的。比如端点1只能发送数据，在主机看来是端点1向主机输

入数据，即IN操作；当端点2配置为接收数据时，主机向端点2输出数据，

即OUT操作。这一点是初学者比较容易产生混淆的地方。

利用设备地址、端点号和传输方向就可以指定一个端点，并和它进行通信。端

点的传输特性还决定了其与主机通信时所采用的传输类型，如控制端点只能使

用控制传输。根据端点的不同用途，可将端点分为两类：0号端点和非0号端点。

0号端点比较特殊，它有数据输入IN和数据输出OUT两个物理单元，且只能

支持控制传输。所有的USB设备都必须含有一个0号端点，用作缺省控制管道。USB系统软件就是使用该管道和USB逻辑设备进行配置通信的。0号端点在USB设备上电以后就可以使用，而非0号端点必须要在配置以后才可以使用。

根据具体应用的需要，USB设备还可以含有多个除0号端点以外的其他端点。

对于低速设备，其附加的端点数最多为2个；对于全速/高速设备，其附加的端

点数最多为15个。

⑤字符串

在USB设备中通常还含有字符串描述符，以说明一些专用信息，如制造商的名称、设备的序列号等。它的内容以UNICODE的形式给出，且可以被客户软件

所读取。对USB设备来说，字符串描述符是可选的。

⑥管道

在USB系统结构中，可以认为数据传输是在主机软件（USB系统软件或客户

软件）和USB设备的各个端点之间直接进行的，它们之间的连接称为管道。管道是在USB设备的配置过程中建立的。管道是对主机和USB设备间通信流的

抽象，它表示主机的数据缓冲区和USB设备的端点之间存在着逻辑数据传输，而实际的数据传输是由USB总线接口层来完成的。

管道和USB设备中的端点一一对应。一个USB设备含有多少个端点，其和主

机进行通信时就可以使用多少条管道，且端点的类型决定了管道中数据的传输类型，如中断端点对应中断管道，且该管道只能进行中断传输。传输类型在后面会介绍。不论存在着多少条管道，在各个管道中进行的数据传输都是相互独立的。

管道是对主机和USB设备间通信流的抽象，它表示主机的数据缓冲区和USB 设备的端点之间存在着逻辑数据传输，而实际的数据传输是由USB总线接口层来完成的,管道和USB设备中的端点一一对应。