USB概述及S3C2440 USB DEVICE

USB概述

USB主要用于中速和低速的外設。USB通過PCI總線和PC機的內部系統數據線連接，實現數據的傳送。USB的網絡協議中規(guī)定每個USB的系統有且僅有一個HOST。

USB2.0協議的理論速度是480Mb/s ，現在的USB3.0協議理論速度能達到4Gb/s。

主要特點： 

支持即插即用，傳輸速度快，連接方便，獨立供電，低成本；USB 使用一個4針插頭作為標準插頭，通過這個標準插頭，采用菊花鏈形式可以把多達127個的 USB 外設連接起來，所有的外設通過協議來共享 USB 的帶寬。 

組成：

USB 規(guī)范中將 USB 分為五個部分：控制器、控制器驅動程序、USB芯片驅動程序、USB 設備以及針對不同USB 設備的客戶驅動程序。 

控制器（Host Controller），主要負責執(zhí)行由控制器驅動程序發(fā)出的命令，如位于 PC 主板的USB 控制芯片。 

控制器驅動程序(Host Controller Driver)，在控制器與USB 設備之間建立通信信道，一般由操作系統或控制器廠商提供。 

USB芯片驅動程序(USB Driver)，提供對USB芯片的支持，設備上的固件。 

USB設備(USB Device)，包括與 PC 相連的USB 外圍設備。 

設備驅動程序(Client Driver Software)，驅動USB 設備的程序，一般由USB 設備制造商提供。

傳輸方式：

每次傳輸會分解成若干個數據包在USB總線上傳輸。每次傳輸必須經歷兩個或三個部分，第一部分是USB控制器向USB設備發(fā)出命令，第二部分是USB控制器和USB設備之間傳遞讀寫請求，其方向主要看第一部分的命令式讀還是寫，第二部分有時可以沒有。第三部分是握手信號。

1.控制傳輸方式：負責向USB設置一些控制信息，傳送這種事務的管道是控制管道。在每個USB設備中都會有控制管道，也就是說控制管道在USB設備中是必須的?？刂苽鬏斠卜譃槿齻€階段，令牌階段、數據傳送階段、握手階段。

2.同步傳輸方式：該方式用來聯接需要連續(xù)傳輸數據，且對數據的正確性要求不高而對時間極為敏感的外部設備，如麥克風、嗽叭以及電話等。同步傳輸方式以固定的傳輸速率，連續(xù)不斷地在主機與 USB 設備之間傳輸數據，在傳送數據發(fā)生錯誤時，USB 并不處理這些錯誤，而是繼續(xù)傳送新的數據。同步傳輸方式的發(fā)送方和接收方都必須保證傳輸速率的匹配，不然會造成數據的丟失。

同步傳輸事務只有兩個階段，令牌階段、數據階段，因為不關心數據的正確性，故沒有握手階段。

3.中斷傳輸 (Interrupt)：該方式用來傳送數據量較小， 但需要及時處理， 以達到實時效果的設備，

此方式主要用在偶然需要少量數據通信，但服務時間受限制的鍵盤、鼠標以及操縱桿等設備上。 也分上述三個階段。

4.批量傳輸方式：主要是大塊的數據，傳輸這種事務的管道叫做Bulk管道。這種事務傳輸的時候分為三個部分：第一部分是HOST端發(fā)出一個BULK的令牌請求，如果令牌是IN請求則是從Device到Host端的請求，如果是OUT令牌，則是從HOST到DEVICE端的請求。第二部分是傳輸數據的階段，根據先前請求的令牌的類型，數據傳輸有可能是IN方向和OUT方向。傳輸數據的時候用DATA0和DATA1令牌攜帶著數據交替?zhèn)魉?。第三部分是握手信號。如果是IN方向，數據信號應該是HOST端發(fā)出，如果是OUT方向，握手信號應該是DEVICE端發(fā)出。握手信號可以是ACK，表示正常響應，也可以是NAK表示沒有正確傳送。STALL表示出現主機出現不可預知的錯誤。在第二部分，數據傳送由DATA0和DATA1數據包交替?zhèn)魉?。數據傳輸格式DATA1和DATA0，兩個是重復數據，確保在1數據丟失時0可以補上，不止數據丟失。

USB描述符：

USB設備通過描述符來反映他們的屬性。描述符是有定義好的格式的數據結構，每個描述符以一個字節(jié)打頭表明本描述符的長度，緊跟其后是一個字節(jié)的描述符類信息。

一個USB設備有一個設備描述符，設備描述符里面決定了該設備有多少種配置，每種配置描述符對應著配置描述符；而在配置描述符中又定義了該配置里面有多少個接口，每個接口有對應的接口描述符；在接口描述符里面又定義了該接口有多少個端點，每個端點對應一個端點描述符；端點描述符定義了端點的大小，類型等等。由此我們可以看出，USB的描述符之間的關系是一層一層的，最上一層是設備描述符，下面是配置描述符，再下面是接口描述符，再下面是端點描述符。在獲取描述符時，先獲取設備描述符，然后再獲取配置描述符，根據配置描述符中的配置集合長度，一次將配置描述符、接口描述符、端點描述符一起一次讀回。其中可能還會有獲取設備序列號，廠商字符串，產品字符串等。

以下詳細介紹USB描述符：

//設備描述符

struct USB_Dev_descriptor

{

U8 blength;                      //設備描述符的字節(jié)數大小

U8 bDescriptorType;               //設備描述符類型編號

U16 bcdUSB;                    //USB版本號

U8 bDeviceClass;                 //USB分配的設備類代碼

U8 bDeviceSubClass;              //USB分配的子類代碼

U8 bDeviceProtocol;               //USB分配的設備協議代碼

U8 bMaxPacketSize0;              //端點0的最大包大小

U16 idVendor;                    //廠商編號

U16 idProduct;                    //產品編號

U16 bcdDevice;                   //設備出廠編號

U8 iManufacturer;                 //設備廠商字符串的索引

U8 iProduct;                      //描述產品字符串的索引

U8 iSerialNumber;                 //描述設備序列號字符串的索引

U8 bNumConfigurations;            //可能的配置數量

}descDev;

//配置描述符

struct USB_Con_descriptor

{

U8 bLength;                      //配置描述符的字節(jié)數大小

U8 bDescriptorType;               //配置描述符類型編號

U8 wTotalLength;                 //此配置返回的所有數據大小

U8 bNumInterfaces;                //此配置所支持的接口數量

U8 bConfigurationValue;           //Set_Configuration命令所需要的參數值

U8 iConfiguration;                 //描述該配置的字符串的索引值

U8 bmAttributes;                  //供電模式的選擇

U8 MaxPower;                    //設備從總線提取的最大電流

}descCon;

//接口描述符

struct USB_Inf_descriptor

{

U8 bLength;                      //接口描述符的字節(jié)數大小

U8 bDescriptorType;               //接口描述符的類型編號

U8 bInterfaceNumber;              //該接口的編號

U8 bAlternateSetting;              //備用的接口描述符編號

U8 bNumEndpoints;               //該接口使用的端點數，不包括端點0

U8 bInterfaceClass;                //接口類型

U8 bInterfaceSubClass;             //接口子類型

U8 bInterfaceProtocol;              //接口遵循的協議

U8 iInterface;                     //描述該接口的字符串索引值

}descInf;

//端口描述符

struct USB_Epn_descriptor

{ 

U8 bLength;                      //端點描述符字節(jié)數大小

U8 bDescriptorType;               //端點描述符類型編號

U8 bEndpointAddress;              //端點地址及輸入輸出屬性

U8 bmAttributes;                  //端點的傳輸類型屬性

U16 wMaxPacketSize;             //端點收、發(fā)的最大包大小

U8 bInterval;                    //主機查詢端點的時間間隔

}descEp0,descEp1;

描述符配置實例：

void USB_descriptor()

{

//設備描述符

descDev.blength=0x12; //設備描述符的字節(jié)數大小，這里是18字節(jié)

descDev.bDescriptorType=1; //設備描述符類型編號，設備描述符是01

descDev.bcdUSB=0x0110; //USB版本號，這里是USB01.10，即USB1.1。

descDev.bDeviceClass=0xFF;

descDev.bDeviceSubClass=0;

descDev.bDeviceProtocol=0;

descDev.bMaxPacketSize0=8; //端點0的最大包大小，這里為8字節(jié)

descDev.idVendor=0x5345;

descDev.idProduct=0x1234;

descDev.bcdDevice=0x100;

descDev.iManufacturer=1;

descDev.iProduct=2;

descDev.iSerialNumber=0;

descDev.bNumConfigurations=1;

//配置描述符

descCon.bLength=9; //配置描述符的字節(jié)數大小

descCon.bDescriptorType=2; //配置描述符類型編號

descCon.wTotalLength=0x20; //配置描述符集合的總大小

descCon.bNumInterfaces=1; //只包含一個接口

descCon.bConfigurationValue=1; //該配置的編號

descCon.iConfiguration=0; //iConfiguration字段

descCon.bmAttributes=0x80; //采用總線供電，不支持遠程喚醒

descCon.MaxPower=25; //從總線獲取最大電流50mA

//接口描述符

descInf.bLength=9;   //接口描述符的字節(jié)數大小，這里為9

    descInf.bDescriptorType=4;     //接口數4

    descInf.bInterfaceNumber=0; //接口編號為4

    descInf.bAlternateSetting=0;  //該接口描述符的編號為0

    descInf.bNumEndpoints=2; //非0端點數量為2，只使用端點主端點輸入和輸出

    descInf.bInterfaceClass=0xff; 

    descInf.bInterfaceSubClass=0;  

    descInf.bInterfaceProtocol=0;

    descInf.iInterface=0; //接口描述符字符串索引，為0，表示沒有字符串

    //端口描述符

    descEp0.bLength=7;     //端點描述符的字節(jié)數大小，這里為7

    descEp0.bDescriptorType=5;    //端點描述符類型編號，端點描述符為5

    descEp0.bEndpointAddress=0x81; //端點號，主輸入端點                             

    descEp0.bmAttributes=2;  //使用的傳輸類型，批量傳輸

    descEp0.wMaxPacketSize=32; //該端點支持的最大包尺寸，64字節(jié)

    descEp0.bInterval=0; //中斷掃描時間，對批量傳輸無效

    descEp1.bLength=7;    

    descEp1.bDescriptorType=5;         

    descEp1.bEndpointAddress=3;

    descEp1.bmAttributes=2;

    descEp1.wMaxPacketSize=32;

    descEp1.bInterval=0;

}

USB設備枚舉過程：

1. 主機檢測到設備插上，總線復位：當設備與主機連接時，主機將檢測到連接條件。當USB線的D+數據線拉至Vse以上2.5us時，主機就開始進行總線復位。

2. 主機讀取設備描述符（第一次）：主機連接時使用默認地址（0）讀取設備描述符。S3C2440的端點0的緩沖區(qū)是16個字節(jié)，程序中設置為8個字節(jié)，故S3C2440作為設備先發(fā)送8個字節(jié)的設備描述符。當主機接收到這8個字節(jié)后，就認為有設備連接，即發(fā)送一個0字節(jié)的數據包到設備作為應答。

3. 分配地址：主機給設備分配一個地址。默認分配地址為0x02，在以后通信中，設備只對0x02地址的信息應答。

4. 主機從新地址獲取設備描述符：程序中接收數據包設置成8字節(jié)，18字節(jié)的設備描述符要分3次發(fā)送。最后主機發(fā)送一個0字節(jié)的數據包到設備作為應答。

5. 主機獲取配置描述符。

6. 主機讀取描述符集合：主機除了讀取設備描述符和配置描述符之外，還讀取接口描述符。在這里主機使用再次讀取配置的方法來讀取配置描述符、接口描述符和端點描述符的集合。這里請求的字節(jié)數為0xFF。

7. 設置配置：主機讀取完描述符后，需要對設備進行配置，使設備從地址狀態(tài)進入配置狀態(tài)。

8. 讀取配置狀態(tài)（可選）：主機設置完配置后，設備即可使用。主機有時會對設備的狀態(tài)進行讀取。

9. 讀取接口狀態(tài)（可選）。