Linux usb 1. 總線簡介

本文轉載自查看原文 2021-10-21 11:25 115

文章目錄

1. USB 發展歷史
2. 總線拓撲
3. 總線調度
4. 傳輸格式
5. 通訊模型
參考資料

1. USB 發展歷史

USB(Universal Serial Bus)通用串行總線是非常成功的一種總線技術，應用場景很廣、發展也非常迅速。到現在一共經歷了以下版本：

Version	App	Speed	Direction	Data Line
USB 1.0	低速 Low Speed	1.5Mbps	Half 單工模式	1對差分線 D+/D1
USB 1.1	全速 Full Speed	12Mbps	Half 單工模式	1對差分線 D+/D1
USB 2.0	高速 Hi-Speed	480Mbps	Half 單工模式	1對差分線 D+/D1
USB 3.1 Gen1	超高速 SuperSpeed	5Gbps	Full 雙工模式	2對差分線
USB 3.1 Gen2	超高速 SuperSpeed+	10Gbps	Full 雙工模式	2對差分線
USB 3.2	超高速 SuperSpeed+	20Gbps	Full 雙工模式	4對差分線
USB 4.0	超高速 SuperSpeed+	40Gbps	Full 雙工模式	4對差分線

在這里插入圖片描述

1.1 USB 1.0/2.0

在 USB 1.0/2.0 時期只需要用到4根線：1根電源線、1根地線、1對差分數據線。因為只有1條數據通路，所以只能是單工的，同一時間只能是接收或者發送數據。
在這里插入圖片描述

使用 Type A 和 Type B 型的接口：
在這里插入圖片描述
還有一系列小尺寸的變種：

1.2 USB 3.0

在 USB 3.0 時代從兩個方向來增加速度：

增加傳輸的時鍾速率，速率從480M增加到了5G。高速信號會給PCB走線、EMC、線纜帶來不小的壓力。
增加差分數據通路的數量。首先發明了改進型的 USB3.0 Type A 接口，在原有4線的基礎上再增加了5條線：

可以看到增加的5條線分別為1條地線和2對差分數據線。因為有了2條數據通路，所以可以雙工，同一時間能同時接收和發送數據。在工作在 USB 3.0 模式時，原來的 D+/D- 差分線是不使用的。
在這里插入圖片描述
上圖是 USB3.0 Type A 接口示意圖，注意新增的5條線已斷針的形式隱藏在后面，這樣的設計是為了和 USB 2.0 兼容。但是顏色改成了藍色，以示區別。

在 USB 3.0 還出現了一種全新的接口類型 Type C 接口，它帶來了以下好處：

接口線數量猛增到了24線，其中數據通路在 D+/D- 之外再提供了 4條差分數據線。
實現了正反面任意插拔，大大方便了用戶使用。

從 USB 3.2 開始，因為它需要使用 4 對數據差分線，所以目前唯一支持的只有 Type C 接口。

1.3 速度識別

USB 1.0 和 1.1 通過 D+/D- 的上拉電阻來進行區分：

D+ 上拉，USB 1.1 Full-speed。
D- 上拉，USB 1.0 Low-speed。

USB 2.0 High-speed 首先 D+ 上拉，被當成 USB 1.1 Full-speed。然后通過編碼識別來區分 High-speed 和 Full-speed：
1、Hub檢測到有設備插入/上電，向主機通報，主機發送Set_Port_Feature請求讓hub復位新插入的設備。設備復位操作是hub通過驅動數據線到復位狀態 SE0（即D+和D-全為低電平），並持續至少10ms。
2、高速設備看到復位信號，通過內部的電流源向D-線持續灌大小為17.78mA電流。因為此時高速設備的1.5k上拉電阻未撤銷，在hub端，全速/低速驅動器形成一個阻抗為45Ohm的終端電阻，1.5k與45Ohm的電阻並聯，仍然是45Ohm，所以在Hub端看到一個約800mV的電壓，這就是Chirp K信號。Chirp K信號持續1ms ~ 7ms。
3、在Hub端，雖然設置了復位信號，並一直驅動着SE0，但USB2.0的高速接收器一直在檢測Chirp K信號，如果沒有Chirp K信號看到，就繼續復位操作，直到復位結束，然后識別為全速設備。
4、設備發送的Chirp K信號結束后100us內，hub必須開始恢復一連串的KJKJKJ…序列，向設備表明這是一個USB2.0的hub。這里的KJ序列是連續的，中間不能間斷，而且每個K或J的持續時間在40us~60us。KJ序列停止后的的100-500us內結束復位操作。Hub發送Chirp KJ序列的方式和設備一樣，通過電流源向差分數據線交替灌17.78mA的電流實現。
5、在回到設備端來。設備檢測到6個hub發送的Chirp信號后（3對KJ序列），它必須在500us內切換到高速模式。切換動作有：
(1)斷開1.5K的上拉電阻
(2)連接D+/D-上的高速終端電阻，實際上就是全速/低速差分驅動器
(3)進入默認的高速狀態。
執行(1)、(2)步后，USB信號線上看到的現象就發生變化，hub發送出來的Chirp KJ序列幅值降到原來的一半，即400mV。這是因為設備端掛載新的中斷電阻，並聯后的阻抗是22.5Ohm。之后高速操作的信號幅度就是400mV，而不像全速/低速那樣的3V。

USB Chirp K、Chirp J、SE0 信號定義：

信號	低速模式 Low-speed	全速速模式 Full-speed	高速模式 High-speed
Chirp J	D+ = 0，D- = 1	D+ = 0，D- = 1	D+ = 1，D- =0
Chirp K	D+ =1， D- = 0	D+ =1， D- = 0	D+ =0， D- = 1
SE0	D+ = 0， D- =0	D+ = 0， D- =0	D+ = 0， D- =0
IDLE	K狀態	J狀態	SE0狀態

從J到K或者從K到J，信號翻轉，說明發送的信號是0.從J到J或從K到K，信號不變，說明發送的信號是1.
Chirp J K狀態高速設備與低速設備相反。

對於 USB 3.0 以后的速度識別，暫未研究。

1.4 OTG

USB OTG技術可實現沒有主機時設備與設備之間的數據傳輸。例如：數碼相機可以直接與打印機連接並打印照片，手機與手機之間可以直接傳送數據等，從而拓展了USB技術的應用范圍。

在OTG中，初始主機設備稱為A設備，外設稱為B設備。也就是說，手機既可以做外設，又可以做主機來傳送數據，可用電纜的連接方式來決定初始角色(由ID線的狀態來決定)。

在 Mini/Micro USB 接口一共有 5 根線，在原有 USB 的基礎上多出了一根 ID 線。OTG的識別是通過ID腳的電平進行決定OTG作為Device還是Host：

在這里插入圖片描述
當OTG設備檢測到接地的ID引腳時，表示默認的是A設備（主機），而檢測到ID引腳浮空的設備則認為是B設備（外設）。

1.5 phy 總線

USB信號傳輸前，需要通過phy把usb控制器的數字信號轉成線纜上的模擬信號。usb控制器和phy之間的總線主要有3種：

1、UTMI (USB2.0 Transceiver Macrocell Interface)。最早的 USB controller和USB PHY通信的協議。
2、ULPI (UTMI+Low Pin Interface)。從名字上就可以看出ULPI是UTMI的Low Pin版本
3、HSIC (USB 2.0 High Speed Inter Chip)。是USB 2.0的芯片到芯片變體，它消除了普通USB中的傳統模擬收發器。速度可達480M,是IIC的理想替代。

1.6 傳輸編碼方式

USB 信號在線路上傳輸時，需要采取合適的編碼方式。

1、USB 1.0/2.0 采用的是 URZI (No Return Zero-Inverse) 編碼。無需同步的時鍾信號也能產生同步的數據存取。NRZI的編碼規則是，當數據位為1時不轉換，當數據位為0時轉換，如下圖所示。位傳輸的順序以LSB優先。

這種編碼方式會遇到一個嚴重的問題，若重復相同的1信號時，就會造成數據長時間無法轉換，逐漸的累積而導致堵塞的情況，使得讀取的時序出現嚴重的錯誤。因此，在NRZI編碼之間，還需執行所謂的位填塞（bit-stuffing）。即是，若原始的串行數據含有連續的6個1時，就執行位填塞工作，填塞一個0。
2、USB 3.0 采用的是 8b/10b 編碼。
3、USB 3.1/3.2 采用的是 128/132 (64b/66b) 編碼。

2. 總線拓撲

USB 是星型拓撲總線，由 hub 來進行多級擴展。最大的層級不能超過7層，在任何一條路徑上不能超過5個非根hub。
在這里插入圖片描述

USB 總線由 3 種角色組成：

Host。星型總線的中心，配置所有Hub和Device，調度總線上所有的數據收發。
Hub。提供了擴展端口，能連接更多的Device。Hub本身也是一種特殊的Device。
Device。提供了實際的設備功能。

經過幾種角色的組合以后，USB 總線形成了邏輯上的星型拓撲，Host 到任一 Device 都是點對點傳輸。

2.1 Device 內部的邏輯關系

USB 將 Device 內部的資源進一步細分成了3個層級：Configuration 配置、Interface 接口、Endpoint 端點。
在這里插入圖片描述

1、Configuration 配置

每個USB設備都可以包含一個或者多個配置，不同的配置使設備表現出不同的功能組合，配置有多個接口組成。在USB協議中，接口由多個端點組成，代表一個基本的功能。

看下面的一個例子。一個USB播放器帶有音頻視領功能，還有旋鈕和按鈕。那么這個 Device 設備可以提供3種 Configuration 配置：
配置1：音須(接口) + 旅鈕(接口）
配置2: 音頻(接口) + 視頻(接口) + 按鈕(接口）
配置3：視頻(接口) + 旋鈕(接口）

2、Interface 接口 / Function 功能

Interface 接口代表一個獨立的基本的功能，所以有時也稱之為 Function 功能。如果我們開發 USB Client 驅動，我們面向的對象就是 USB Interface，上述實例中的音煩接口、視頻接口、投鈕接口、旋鈕接口均需要一個獨立的 USB Client 驅動程序。
在這里插入圖片描述
一個 Interface 接口中包含了完成這個基本功能的所需要的一個或者多個 Endpoint 端點。

3、Endpoint 端點 (Pipe 管道)

端點是USB設備中最基本的可尋址單位，它是位於USB設備或主機上的一個數據緩沖區，用來存放和發送USB的各種數據。

設備的Endpoint 0 是一個特殊端點，在設備初始化時系統需要使用該端點讀配置設備。其他編號的端點 USB Client 驅動都可以使用。

一個 Host 主機的端點和一個設備 Device 的端點建立的連接稱之為 Pipe 管道：
在這里插入圖片描述

2.2 Compound/Composite Device

在這里插入圖片描述
在 USB 協議描述中，有兩個非常相近的名字：Compund Device 和 Composite Device。正確的理解的它們有助於我們理解清楚隨后的一些概念。

Compund Device。指的是一個 hub 設備中，還包含了其他的功能 device。
Composite Device。指的是一個 Device 當中，包含了多個 Interface，能提供多個獨立的功能。

2.3 Hub

在這里插入圖片描述
在 USB 的總線結構中，Hub是一個重要的組成成員，它主要的作用是控制 Port 端口來連接更多的 USB Device設備。

它的核心點如下：usb host需要給總線上的設備分配不同的地址才不會沖突，usb的星形拓撲連接設備都是通過hub的端口連結到總線上的。總線初始化枚舉設備時，usb設備的地址都是默認地址0，但是hub的端口都是關閉的所以並不產生設備沖突，host逐個打開hub的端口，逐個利用打開端口上設備的默認地址0來配置設備，給其分配新的地址，從endpoint 0中讀出設備的配置並設置。在運行過程中usb設備的熱插拔也是和這類似的。

2.4 Configure Descriptor

對於一個 USB 設備，在 Device、Configuration、Interface、Endpoint 每個層次上都有對應的描述信息。可以使用 endpoint0 在設備初始化的時候讀出和配置這些信息。
在這里插入圖片描述
以下是USB協議中對這些描述信息的詳細定義：

最重要的是設備在初始化時，通過這些信息來進行枚舉配置的過程。一個設備枚舉的過程分為如下8步：

1.獲取設備描述符
- Host/Hub通過數據線上拉電阻的阻值變化檢測到新設備接入。Host等待100ms以保證設備電源穩定。
- Host向device發Bus Reset使得設備進入default狀態，從此之后，設備可以響應默認地址0.
- Host請求Device發送Device Descriptor的前64個字節。
2.復位
- Host在收到Device Descritptor的前8個字節后，再次向Device發出Bus Reset。
3.設置地址
- Host發送一個Set Address命令給Deivce, 從此Device有個通信地址，不再使用默認地址0進行通信。
4.再次獲取設備描述符
- Host請求獲取完整的Device Descritpor, 總計18字節。
5.獲取配置描述符
- Host請求獲取9個字節的Configuration Descriptor以了解 Configuration descriptor的總大小。
- Host請求255字節的Configuration Descritpor。
6.獲取接口，端點描述符
7.獲取字符串描述符
8.選擇設備配置

3. 總線調度

USB 作為一個高速總線，它需要充分利用起其帶寬，並且能承擔其多種業務類型的數據包的傳輸。

對數據傳輸來說，最重要的有幾種因素 帶寬、時間延遲、完整性校驗。根據這幾種因素的組合，USB 把數據傳輸分成了4類：

Type	KeyPoint	Sample	Descript
Control Transfers 控制傳輸	`完整性校驗`	USB 配置命令	突發的、非周期性的，主機軟件發起的請求/響應通信，通常用於命令/狀態操作。數據量小對帶寬、時間延遲要求不高，但是要求數據必須正確
Isochronous Transfers 等時傳輸	`帶寬`、`時間延遲`	攝像頭	等時傳輸:主機和設備之間定期、連續的通信，通常用於時間相關信息。這種傳輸類型還保留了數據中封裝的時間概念。然而，這並不意味着這些數據的交付需求總是時間緊迫的。數據量大需要大帶寬、對時間延遲也很高，但是不要求數據必須正確。也正因為前兩者的要求高，也很難做到數據校驗和重傳
Interrupt Transfers 中斷傳輸	`時間延遲`、`完整性校驗`	鍵盤、鼠標	低頻、有邊界延遲通信。對時間延遲要求高，但數據量小所以要求數據必須正確
Bulk Transfers 批量傳輸	`帶寬`、`時間延遲`、`完整性校驗`	文件存儲	非周期性、大包突發通信，通常用於可以使用任何可用帶寬的數據，也可以延遲到帶寬可用。數據量大需要大帶寬，但對時間延遲也不高，要求數據必須正確。也正因為對延遲要求不高，所以可以做數據校驗和重傳

USB使用以下方法來滿足多種類型的數據在一條共享通道上傳輸：

時間延遲。從時間維度上把數據傳輸切成多個時間片，在每個時間片內絕大部分份額(最多80%)優先傳輸對時間延遲有要求的數據，如Interrupt Transfers、Isochronous Transfers。在時間片剩下的額度內傳輸對時間延遲沒要求的數據，如Control Transfers、Bulk Transfers。
完整性校驗。對需要保證數據完整性的數據加上了CRC 校驗，接收端使用 ACK 來知會發送端正確接收，如果沒有收到 ACK 發端會嘗試重發 3 次。

3.1 Frames/Microframes

在這里插入圖片描述

如上圖，USB從時間維度上把數據傳輸切成多個時間片：

Frames。Low-speed 和 Full-speed 的時間切片大小為 1ms，USB 控制器每1ms重新調度一下傳輸。
Microframes。High-speed 的時間切片大小為 125us，USB 控制器每125us重新調度一下傳輸。

這個時間切片，和操作系統上 schedule tick 的概念是一樣的。

在數據格式傳輸上又會進一步細分：

Transfer。每個時間片的所有傳輸稱之為一個 Transfer，或者為一個 Frames/Microframes。
Transcation。根據某次數據傳輸的目的，一個 Transfer 可以分成多個 Transcation 事務。
Packet。數據傳輸的最小單位，一個 Transcation 可能由多個 Packet 事務組成。

3.2 Bulk Transactions

在這里插入圖片描述
上圖可以看到 Bulk 類型的 In/Out Endpint 在數據收發時的狀態流程圖：

NAK。接收端數據未准備好。
ACK。接收端接收到數據且數據校驗正確。
不回應。接收端接收到錯誤數據，發端會重發 3 次。

3.3 Control Transfers

在這里插入圖片描述
Control 類型和 Bulk 類型的處理類似。

3.4 Interrupt Transactions

在這里插入圖片描述
Interrupt 類型對 完整性校驗 也是有要求，處理流程和前面一樣。

3.5 Isochronous Transactions

在這里插入圖片描述
Isochronous 類型是唯一對 完整性校驗 沒有要求的，所以它的數據不需要 ACK 回應。

3.6 USB 和 PCIE 調度的區別

PCIE 總線也是一個非常成功和流行的總線，從底層來說它和 USB 總線是非常像的：

它也是高速串行總線。
它也是共享性的總線。都是把帶寬邏輯切割成多份，分給不同的Device和驅動。

但是它又看起來和 USB 如此的不同，主要的差異就在總線的調度上面：
PCIE 硬件使用了一個專門的仲裁器來做總線調度，所以在Device配置好以后，所有的 Mem/Io 空間被映射到一個統一地址空間當中，只要發起普通的讀寫操作就能訪問。而USB的總線調度被暴露了出來，需要硬件軟件共同配合才能完成。毫無疑問，PCIE 的硬件復雜度和成本會遠遠高於 USB。
另外由於 PCIE 有獨立的仲裁器來進行調度，所以 PCIE 支持多個設備同時操作總線。而 USB 的所有操作都需要 Host 來調度，所以只能由 Host 發起總線操作。從效率來說 USB 要低。
還有一點PCIE硬件仲裁器對軟件是透明的，所以軟件讀寫總線是同步的。而軟件操作USB總線是異步的，通過回調的操作來進行usb和cpu之間的狀態對齊。

4. 傳輸格式

上文說過一個傳輸時間片 Tranfer/Frame/MicroFrame，可以分割成多個 Transaction 事務，一個 Transaction 事務又可以細分成多個 Packet 包。
在這里插入圖片描述

4.1 Packet

Packet 包是 USB 傳輸的最小單位，由五部分組成：

同步字段（SYNC）
包標識符字段（PID）
數據字段
循環冗余校驗字段（CRC）
包結尾字段（EOP）

主要的數據包格式有四類，對應不同的 PID 類型：

4.1.1 Token Packet

在這里插入圖片描述
此格式適用於IN、OUT、SETUP、PING。

4.1.2 Data Packet

在這里插入圖片描述
有四種類類型的數據包：DATA0, DATA1, DATA2,and MDATA，且由PID來區分。DATA0和DATA1被定義為支持數據切換同步(data toggle synchronization)。

4.1.3 Handshake Packet

在這里插入圖片描述
ACK: 對於IN事務，它將由host發出；對於OUT、SETUP和PING事務，它將由device發出。
NAK: 在數據階段，對於IN事務，它將由device發出；在握手階段，對於OUT和PING事務，它也將由device發出；host從不發送NAK包。

4.2 Transcation

在USB上數據信息的一次接收或發送的處理過程稱為事務處理（Transaction）即：The delivery of service to an endpoint。一個事務由一系統packet組成，通常的一次 Transaction 由3個Packets組成：Token -> Data -> Handshake。
在這里插入圖片描述