一、USB是什么
USB，通用串行總線，是一種計算機與外圍設備進行數據交互的通信協議。
任何東西的出現都是有理可循的，在以前計算機剛興起的時候，要連接一個新的設備，需要斷電關閉計算機，連接好設備，配置好硬件，再上電運行，這個過程相當費時費力，為了能擁有隨意接入設備這種熱拔插特性，USB總線協議應運而生。
USB總線如今已經有USB1.0、USB1.1、USB2.0、USB3.0。
USB協議采用主從工作模式，即只有主機與從機之間才能進行數據通信，也正是這樣引發一個缺陷，就是主機與主機、從機與從機之間不能通信。后來，USB OTG的出現彌補了這一缺陷，USB OTG的特性，就是能將一個設備，在不同的場合進行主機或從機的身份切換，如何做到這一點的，就是USB OTG中增加了一種MINI USB接頭，是五線制，跟四線制一樣，多出來的一條是ID線，用來標識一個設備是主機還是從機。盡管如此，還是避免不了USB主從的工作模式，數據永遠在主機和從機之間進行，永遠是主機發起主動權，從機只是被動的讀寫。
USB傳輸如今已經是一種普遍的手段，在USB1.0和USB1.1中，傳輸速度上有1.5Mb/s的低速模式和12Mb/s的全速模式，之后出了USB2.0，傳輸速度上就有了480Mb/s的高速模式、在USB3.0上，速度就更快了。這些低速、全速、高速指的是數據在每秒傳輸的位數，實際速率要低一點，因為還有同步域、令牌包、CRC校驗、位填充、包間隙這些協議開銷。而在傳輸距離上，建議低速不超過3米，全速不超過5米。
需要走出的一個誤區就是：並不是設備擁有越高版本的協議，速度就一定快；就比如說PSIUSBD12這款USB芯片，雖然手冊上寫了符合USB2.0協議，實際上並沒有高速模式，只有12Mb/s的全速模式。
二、USB協議的傳輸結構
以下是USB協議的LOGO：
標准的USB協議傳輸結構是這樣子的（設備端）：
USB協議采用的是差分傳輸模式，因而有兩條數據線D+和D-，在低速和全速模式下，采用電壓傳輸模式，在高速下，采用電流傳輸模式。
傳輸結構之所以采用兩長兩短的方式，是為了支持熱拔插；當USB設備接入主機時，VCC和GND優先被接通；拔掉設備時，D-和D+數據線優先斷電。原因很簡單，如果D-和D+先於電源線被接通，那么此時電源為0，USB芯片的IO口引腳電壓很有可能大於電源電壓，很容易導致芯片閂鎖，輕則無法工作，重則損壞芯片，這時候需要斷電重新上電。
在還沒有進行配置前，數據線最大電流為100mA，配置后，數據線最大電流為500mA，數據的傳輸為小端序方式，在國際標准上，甚至對USB協議的四線做了顏色標注，VCC為紅色，GND為黑色，D-為白色，D+為綠色。
三、USB的電氣特性
在電氣結構上，USB設備與主機的連接也很有講究：
主機端的D-和D+數據線各自被串聯15KR電阻下拉到地，當沒有USB設備插入的時候，這兩條數據線就一直呈現低電平狀態。
設備端的D-或者D+數據線，串聯一個1.5KR的電阻上拉到3.3V，一旦設備插入主機，那么當主機捕捉到自身的D-或者D+被拉到高電平時，就知道有USB設備連接進來了，這樣就檢測到有外來USB設備接入了。
對於從機設備中到底是D-還是D+串聯1.5KR電阻，這個就要有傳輸協議的模式來決定了，當配置成全速或高速時，就由D+串聯電阻；當配置成低速時，就是D-串聯電阻了。
簡單來說就是快的就連D+，慢的就連D-。
拓撲結構
剛才說了，USB是一種主從工作模式，大多數時候主機被叫“Host”，從機被叫“Device”；
主機端具有一個或者多個USB主控制器，每個USB主控制器下帶有一條或者多條根集線器，主控制器負責數據處理，根集線器負責提供一條主控制器與設備連通的接口；
當然有這么一種情況，當設備越來越多，接口不夠用的時候，就需要一個特殊的USB設備登場了，那就是USB集線器，他可以在原有的USB接口上擴展出更多的接口，當然了，擴展得再多，說白了也是共享一個主控制器，因此帶寬是不會變多的。
在PC端的設備管理器中就可以看到主機的USB主控制器和根集線器：
雖然說一個USB主控制器可以連接多個設備，這種連接並不是串聯，也不是並聯，而是通過集線器來實現的。
如圖，主控制器和根集線器后有集線器，集線器將一個或者多個USB接口擴展成更多接口，將更多接口拓展成再多，但是這種拓展並不是無休止進行下去的，USB1.1最多擴展4層，USB2.0最多擴展6層。
因此大概的傳輸過程是這樣的：
首先由主控制器發出數據，通過各層的集線器傳送到相對應的某一層的接口給USB設備，設備接收到數據后進行分析處理，然后發送回一組數據或應答，它最先被送至本層的集線器，然后被送到上一層集線器，一直到主控制器為止，最終，主控制器將數據或者應答交給計算機進行處理。
四、編碼方式
無論USB協議再怎么高深，發送端實際上數據傳輸的本質就是0和1。
USB采用的是NRZI編碼方式，數據為0的時候電平翻轉，數據為1的時候電平不反轉。
當出現連續6位為1的時候，自動填充進一個0，這樣做的目的是防止長時間的電平不變化，不利於時鍾的提取。而在接收端則完全相反，自動去掉填充的0，還原出原本的數據。
這就是位填充處理了。
當然，這種編碼的處理過程，USB芯片都已經自動處理好了，我們只要知道有這些細節便可。
五、描述符
USB協議只是一條總線，提供了一條通路而已，那么傳了那么多0和1的數據，到底傳輸的是什么數據呢，原來是要告訴主機，這個設備的具體功能、會有什么行為，該設備的出廠商，設備ID號，廠商ID號，版本號，端點情況等等信息。
這些信息，都是由主機從設備那里獲取的描述符得知的，因此，USB總線上傳輸的0和1數據，實際上就組成了描述符數據，發送給了主機。
描述符種類多樣：設備描述符、配置描述符、接口描述符、端點描述符、類特殊描述符、字符串描述符·····
一個設備只有一個設備描述符，該設備描述符定義了多種配置；
每一種配置對應一個配置描述符，該配置描述符定義了多種接口；
每一個接口對應一個接口描述符，該接口描述符定義了多個端口；
每個端點對應一個端點描述符，端點描述符定義了該端點的大小、類型等等。
因此可看出來，在主機獲取描述符的過程是有順序的，從設備描述符，到配置描述符，再到接口描述符，最后到端點描述符，如果由類特殊描述符，那就跟在端點描述符之后。
可見，描述符的獲取是一層一層來的，不過在獲取配置描述符的時候，可以根據配置描述符得到配置集合的總長度，從該集合我們一口氣得到配置描述符、接口描述符、端點描述符和類特殊描述符。
這樣也就引發了一個疑問，既然可以一口氣從配置集合中獲取到端點描述符了，那我為什么還要去費勁獲取配置描述符和接口描述符呢，理論上講是可以的。
我們來捋一下各種描述符之間的關系，假如有一個U盤（U盤當然是用USB通信協議啦），它有一個設備描述符，因此也有一個設備地址（USB設備采用7位來表示地址，即0~127，其中0號地址是保留給未初始化的設備用的，因此理論上可以連接127個設備，但實際上並不會接那么多)，主機是通過該設備地址找到U盤並與它通信的，但是僅僅只有設備地址是不夠的，還要知道主機與U盤中哪一個端點進行通信，因此還需要有一個端點地址，只有知道了設備地址和端點地址，才能實現對設備點對點發送和接收數據。
因此按道理來說，只要知道設備描述符和端點描述符就夠了，就好比你要去XX學校找XX人一樣，花點時間總會找得到行得通的。
而配置描述符和接口描述符的出現，只是為了能更好的管理端點而抽象出來的概念罷了，就好比指定了XX棟xx室一樣，想象一下，你得到了這么一條信息，去深圳大學3棟305室找某某某，這是不是就比單純告訴你去深圳大學找某某某要效率高很多了？
有這么三條需要注意的點：
1、一個設備可以有多種配置，但同一時刻只能有一種配置模式；
2、同一個端點不能出現在同一個配置下的一個或幾個接口中；
3、同一個端點可以出現在不同配置下的一個或幾個接口中；
好了說了這么多，到現在只知道有這么幾種描述符，通過設備描述符可以知道配置描述符，通過配置描述符可以知道接口描述符，通過接口描述符可以知道端點描述符；從微觀上來推理數據傳輸的過程就很簡單了：
設備端USB協議產生0和1數據，在端點出構成一個接口，由接口又構成一種配置，由配置又構成一個設備，最后把這設備的信息交給主機進行數據處理，大概過程就是這樣。
當然了，設備描述符中的數據不止有配置描述符，配置描述符中的數據不止有接口描述符，接口描述符中的數據不止有端點描述符，具體有以下的數據：
設備描述符：設備使用的USB協議版本、設備類型，設備版本號，端點0的最大包大小，廠商ID，產品ID，廠商字符串索引，產品字符串索引，設備序列號索引、包含的配置數······
配置描述符：包含的接口熟，配置編號，供電方式，是否支持遠程呼喚，電流需求大小·····
接口描述符：接口編號，接口端點數，接口所使用的類、子類、協議······
端點描述符：端點號、方向，端點傳輸類型，最大包大小，查詢時間間隔·······
六、USB傳輸類型
數據和控制信號在主機和USB設備間的交換存在兩種通道：單向和雙向。
USB的數據傳送是在主機軟件和一個USB設備的指定端口之間。這種主機軟件和USB設備的端口間的聯系稱為通道。總的來說，各通道之間的數據流動是相互獨立的。一個指定的USB設備可有許多通道。例如，一個USB設備存在一個端口，可建立一個向其他USB設備的端口，發送數據的通道，它可建立一個從其他USB設備的端口接收數據的通道。
USB包含四種基本的數據傳輸類型:
1、控制傳輸
設備連接時用來對設備進行設置，還可對指定的設備進行控制。
2、批量傳輸
大批量產生並使用的數據，在傳輸約束下，具有很廣的動態范圍。
3、中斷傳輸
用來描述或匹配人的感覺或特征反應的回饋。
4、同步傳輸
由預先確定的傳送延遲來填滿預定的USB帶寬。
七、USB傳輸的數據格式
在物理層，USB通過二進制數據進行傳輸，首先二進制數據構成域（有七種），域再構成包，包再構成事務（in、out、setup）,事務最后構成傳輸。
1、域：是USB數據最小的單位，由若干位組成，域可分為七個類型：
（1）同步域 ：八位，值固定為00000001，用於本地時鍾和輸入同步。
（2）標識域：由四位標識符+四位標識符反碼構成，表明包的類型和格式，這是個很重要的部分，這里能夠計算出，USB的標識碼有16種。
（3）地址域：七位地址，代表了設備在主機上的地址，地址00000000被命名為零地址，是任何一個設備第一次連接到主機時，在被主機配置、枚舉前的默認地址，由此能夠知道為什么一個usb主機只能接127個設備的原因。
（4）端點域：四位、由此可知一個USB設備的端點數量最大為16個。
（5）幀號域：11位，每一個幀都有一個特定的幀號，幀號域最大容量為0x800,對於同步傳輸有重要意義。
（6）數據域：長度為0~1023字節，在不同的傳輸類型中，數據域的長度各不相同，但必須為整數個字節的長度。
（7）校驗域：對令牌包和數據包中非pid域進行校驗的一種方法，CRC校驗在通訊中應用很泛，是一種會很好的校驗方法
2、包
由域構成的包有四種類型：令牌包、數據包、握手包、特別包。
（1）令牌包
可分為輸入包、輸出包、配置包和幀起始包（注意這里的輸入包是用於配置輸入命令的，輸出包是用來配置輸出命令的，而不是放數據的）。其中輸入包、輸出包和配置包的格式都是相同的：sync+pid+addR+endp+CRC5(五位的校驗碼)。
幀起始包的格式：
sync+pid+11位FRam+CRC5
（2）數據包
分為data0包和data1包，當usb發送數據的時候，當一次發送的數據長度大於相應端點的容量時，就需要把數據包分為好幾個包，分批發送，data0包和data1包交替發送即假如第一個數據包是data0,那第二個數據包就是data1。但也有例外情況，在同步傳輸中（四類傳輸類型中之一)，任何的數據包都是為data0，格式如下:
sync+pid+0~1023字節+cRc16 (16位的校驗碼)
（3）握手包
結構最為簡單的包，格式如下：sync+pid.
(4)特別包：這里不做解釋
3、事務
分別有in事務、out事務和setup事務三大事務，每一種事務都由令牌包、數據包、握手包三個階段構成，這里用階段的意思是因為這些包的發送是有一定的時間先后順序的，事務的三個階段如下:
- 令牌包階段:啟動一個輸入、輸出或配置的事務。
- 數據包階段:按輸入、輸出發送相應的數據。
- 握手包階段:返回數據接收情況，在同步傳輸的in和out事務中沒有這個階段，這是比較特別的。