USB协议
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基本知识
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，每一份是一个USB的传输动作。
USB设备有两种供电方式：
- 自供电设备：设备可从外部电源获取工作电压
- 总线供电设备：设备从 VBUS(5V) 取电
编码方式：USB采用反向不归零（NRZI） 来传输数据，当传输线上的差分数据输入0时就取反，输入1时就保持原值。为了确保信号发送的准确性，当在USB总线上发送一个包时，传输设备就要进行位插入操作(即在数据流中每连续6个1后就插入一个0)，从而强迫NRZI码发生变化。
构成
- 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）。
域
域：是USB数据最小的单位,有7种域。
- 同步域（SYNC），八位（hs包为32bit），值固定为0000 0001，用于本地时钟与输入同步
- 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，USB的标识码有16种。
令牌包:
0x01：输出(OUT)启动一个方向为主机到设备的传输，并包含了设备地址和标号。
0x09：输入(IN) 启动一个方向为设备到主机的传输，并包含了设备地址和标号。
0x05：帧起始(SOF)表示一个帧的开始，并且包含了相应的帧号。
0x0d：设置(SETUP)启动一个控制传输，用于主机对设备的初始化。
数据包：
0x03：偶数据包(DATA0)。
0x0b：奇数据包(DATA1)。
握手包:
0x02：确认接收到无误的数据包(ACK)。
0x0a：无效，接收(发送)端正在忙而无法接收(发送)信息。
0x0e：错误，端点被禁止或不支持控制管道请求。
特殊包： 0x0C前导，用于启动下行端口的低速设备的数据传输。 - 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，一个USB主机只能接127个设备。
- 端点域（ENDP），四位，一个USB设备有的端点数量最大为16个。
- 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，对于同步传输有重要意义（同步传输为四种传输类型之一）。
- 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
- 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，注意CRC码的除法是模2运算。
包
包：由域构成的包有四种类型，分别是令牌包、数据包、握手包和特殊包
- 令牌包：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）
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）
帧起始包的格式：
SYNC+PID+11位FRAM+CRC5（五位的校验码） - 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，所有的数据包都是为DATA0，格式如下：
SYNC+PID+0~1023字节+CRC16 - 握手包：握手包包括
ACK、NAK、STALL、NYET四种，其中 ACK 表示肯定的应答，成功的数据传输。NAK 表示否定的应答，失败的数据传输，要求重新传输。STALL表示功能错误或端点被设置了STALL属性。NYET表示尚未准备好，要求等待。结构最为简单的包，格式如下：SYNC+PID
事务
事务：有IN、OUT和SETUP三大事务，每一种事务都由令牌包、数据包、握手包三个阶段构成
事务阶段
- 事务的三个阶段如下：
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。
事务类型
- 事务的三种类型如下(以下按三个阶段来说明一个事务)：
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反应(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)。
1) 设备端点正常：设备往主机里面发出数据包(DATA0与DATA1交替)；
2) 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，到了下一个IN事务才继续；
3) 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，就是主机会往设备送数据，DATA0与DATA1交替
握手包阶段——设备根据情况会作出三种反应
1) 设备端点接收正确，设备给主机返回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；
2) 设备正在忙，无法给主机返回ACK，就发送NAK无效包，通知主机再次发送数据；
3) 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. SETUP事务：
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；
数据包阶段——比较简单，就是主机往设备送数据，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。
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)。
传输
- 四种传输类型：
- 控制传输：
控制传输是一种可靠的双向传输，一次控制传输可分为三个阶段。第一阶段为从HOST到Device的SETUP事务传输，这个阶段指定了此次控制传输的请求类型；第二阶段为数据阶段，也有些请求没有数据阶段；第三阶段为状态阶段，通过一次IN/OUT 传输表明请求是否成功完成。控制传输通过控制管道在应用软件和 Device 的控制端点之间进行，控制传输过程中传输的数据是有格式定义的，USB 设备或主机可根据格式定义解析获得的数据含义。其他三种传输类型都没有格式定义。控制传输对于最大包长度有固定的要求。对于高速设备该值为 64Byte；对于低速设备该值为 8；全速设备可以是 8或 16或 32或 64。最大包长度 表征了一个端点单次接收/发送数据的能力，实际上反应的是该端点对应的Buffer的大小。Buffer 越大，单次可接收/发送的数据包越大，反之亦反。当通过一个端点进行数据传输时， 若数据的大小超过该端点的最大包长度时，需要将数据分成若干个数据包传输，并且要求除最后一个包外，所有的包长度均等于该最大包长度。这也就是说如果一个端点收到/发送了一个长度小于最大包长度的包，即意味着数据传输结束。控制传输在访问总线时也受到一些限制，如：a. 高速端点的控制传输不能占用超过 20%的微帧，全速和低速的则不能超过 10%。
b. 在一帧内如果有多余的未用时间，并且没有同步和中断传输，可以用来进行控制传输。 - 中断传输：
中断传输是一种轮询的传输方式，是一种单向的传输，HOST通过固定的间隔对中断端点进行查询，若有数据传输或可以接收数据则返回数据或发送数据，否则返回NAK，表示尚未准备好。中断传输的延迟有保证，但并非实时传输，它是一种延迟有限的可靠传输，支持错误重传。对于高速/全速/低速端点，最大包长度分别可以达到1024/64/8 Bytes。高速中断传输不得占用超过 80%的微帧时间，全速和低速不得超过 90%。中断端点的轮询间隔由在端点描述符中定义，全速端点的轮询间隔可以是1255mS，低速端点为10255mS，高速端点为(2interval-1)*125uS，其中 interval取 1到 16之间的值。除高速高带宽中断端点外，一个微帧内仅允许一次中断事务传输，高速高带宽端点最多可以在一个微帧内进行三次中断事务传输，传输高达 3072 字节的数据。所谓单向传输，并不是说该传输只支持一个方向的传输，而是指在某个端点上该传输仅支持一个方向，或输出，或输入。如果需要在两个方向上进行某种单向传输，需要占用两个端点，分别配置成不同的方向，可以拥有相同的端点编号。 - 批量传输：
批量传输是一种可靠的单向传输，但延迟没有保证，它尽量利用可以利用的带宽来完成传输，适合数据量比较大的传输。低速 USB 设备不支持批量传输，高速批量端点的最大包长度为 512，全速批量端点的最大包长度可以为 8、16、32、64。批量传输在访问 USB 总线时，相对其他传输类型具有最低的优先级，USB HOST 总是优先安排其他类型的传输，当总线带宽有富余时才安排批量传输。高速的批量端点必须支持PING 操作，向主机报告端点的状态，NYET 表示否定应答，没有准备好接收下一个数据包，ACK 表示肯定应答，已经准备好接收下一个数据包。 - 同步传输：
同步传输是一种实时的、不可靠的传输，不支持错误重发机制。只有高速和全速端点支持同步传输，高速同步端点的最大包长度为 1024，低速的为 1023。除高速高带宽同步端点外，一个微帧内仅允许一次同步事务传输，高速高带宽端点最多可以在一个微帧内进行三次同步事务传输，传输高达 3072 字节的数据。全速同步传输不得占用超过 80%的帧时间，高速同步传输不得占用超过 90%的微帧时间。 同步端点的访问也和中断端点一样，有固定的时间间隔限制。
端点
端点(Endpoint)：位于USB设备或主机上的一个数据缓冲区，是USB设备中可以进行数据收发的最小单元，支持单向或者双向的数据传输，用来存放和发送USB的各种数据，每一个端点都有唯一的确定地址，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)。除默认端点外ls低速设备最多支持2组端点(2 个输入，2 个输出)，高速和全速设备最多支持15组端点。
描述符
- 描述符：用于描述一个USB设备的所有属性，USB主机是通过一系列命令来要求设备发送这些信息的。它的作用就是给主机传递信息，从而让主机知道设备具有什么功能、属于哪一类设备、要占用多少带宽、使用哪类传输方式及数据量的大小，只有主机确定了这些信息之后，设备才能真正开始工作，所以描述符也是十分重要的部分，标准的描述符有5种，USB为这些描述符定义了编号：
1——设备描述符
2——配置描述符
3——字符描述符
4——接口描述符
5——端点描述符
一个设备只有一个设备描述符，而一个设备描述符可以包含多个配置描述符，而一个配置描述符可以包含多个接口描述符，一个接口使用了几个端点，就有几个端点描述符。
枚举
枚举：USB设备连接到HOST时，HOST必须通过默认的控制管道对其进行枚举，完成获得其设备描述、进行地址分配、获得其配置描述、进行配置等操作后方可正常使用。USB设备的即插即用特性即依赖于此。
- 枚举时USB的状态：当USB设备插上主机时，主机就通过一系列的动作来对设备进行枚举配置(配置是属于枚举的一个态，态表示暂时的状态)，这些状态如下：
- 接入态(Attached)：设备接入主机后，主机通过检测信号线上的电平变化来发现设备的接入；
- 供电态(Powered)：就是给设备供电，分为设备接入时的默认供电值，配置阶段后的供电值(按数据中要求的最大值，可通过编程设置)；
- 缺省态(Default)：USB在被配置之前，通过缺省地址0与主机进行通信；
- 地址态(Address)：经过了配置，USB设备被复位后，就可以按主机分配给它的唯一地址来与主机通信，这种状态就是地址态；
- 配置态(Configured)：通过各种标准的USB请求命令来获取设备的各种信息，并对设备的某些信息进行改变或设置。
- 挂起态(Suspended)：总线供电设备在3ms内没有总线操作，即USB总线处于空闲状态的话，该设备就要自动进入挂起状态，在进入挂起状态后，总的电流功耗不超过280uA。
阻抗匹配
- 阻抗匹配：严格来讲，当高速电路中，信号在传输介质上的传输时间大于信号上升沿或者下降沿的1/4时，该传输介质就需要阻抗匹配。一般当PCB走线的长度大于其传输信号的波长的1/10时，我们就需要考虑阻抗匹配。100MHz以上的高速数字电路就可以考虑阻抗匹配。一般是做匹配防止信号发射。33欧是个经验值而不是最佳值，具体串阻的选择应满足 驱动器输出阻抗＋串阻＝传输阻抗。信号在传输的过程中，如果传输路径上的特性阻抗发生变化，信号就会在阻抗不连续的结点产生反射。影响特性阻抗的因素有：介电常数、介质厚度、线宽、铜箔厚度。USB全速模式下驱动器的输出阻抗和输入阻抗一般不为45ohm，信号会发生反射造成信号质量下降，需要对电路进行匹配来减小信号的反射；E330使用iMX258处理器，其全速Host的输出阻抗Rs厂家预计为10ohm，而USB线的差分特性阻抗为90ohm，所以要实现驱动器和USB线的阻抗匹配必须在USB D+和D-上串联电阻，串联电阻的要求为Rs+R串=USB线特性阻抗。
协议组成
总体框架
待续~
Common
待续~
Analog
待续~
Digital
待续~
