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embedded/USB

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title: usb
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標準 USB 2.0 介面
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.. image:: /embedded/USB/2.png


USB 訊號使用標記為D+ 和D- 的雙絞線(twisted pair)傳輸，以抵消長導線的電磁干擾。
它們各自使用半雙工的差動訊號(Differential signal), 並利用NRZI(non-return-to-zero Inverted)的編碼方式來傳送。

* 差動訊號：訊號傳輸在兩根不同的線上，這兩個信號的振幅相等，相位相反。

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.. image:: /DiffSig.png

* NRZI Code: NRZI(Non Return to Zero Invert，不歸零就反向)的編碼方式，無需同步的時脈信號也能產生同步的資料存取。NRZI的編碼規則是，當資料位元為 “1” 時不轉換，為 “0” 時再作轉換。

.. image:: /embedded/USB/3.png

* J state:Idle state(閒置)

* K state:Resume state(恢復)

在NRZI編碼下，邏輯0 會造成轉換，所以接受者在接受數據的同時，根據接收到的翻轉信號不斷調整同步頻率，保證數據傳輸正確。

但是，這樣還是會有一個問題，就是雖然接受者可以主動和發送者的頻率匹配，但是兩者之間總會有誤差。

假如數據信號是1000 個邏輯1，資料就會造成長時間無法轉換，在這種情況下，即使接受者的頻率和發送者相差千分之一，就會造成把數據採樣成1001 個或者999 個1了。

USB 對這個問題的解決辦法，就是強制插0，也就是bit-stuffing，如果要傳輸的數據中有7 個連續的1，發送前就會在第6 個1 後面強制插入一個0，讓發送的信號強制出現翻轉，從而強制接受者進行頻率調整。


* Bit-stuffing : 如下圖所示，若是原始的串列資料中含有連續6個 “1” 位元的話，就需執行位元填塞的工作。此工作如(b)所示，就在其後填塞一個 “0” 位元。但相對的在NRZI編碼的過程中，對這連續的6個 “1” 執行如圖(c)轉換過程。因此在發送端在作資料傳輸之前，需先執行位元填塞以及NRZI編碼的工作。相對的，接收端在作資料接收之前，就必需先執行NRZI解碼，然後再作位元反填塞(unBit-Stuffing)的工作。

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USB 封包簡介
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封包是組成USB傳輸的最小單位。一個 Transaction 通常由三個封包組成，但依傳輸型態而定，一個 Transaction 可能包含一個、兩個、三個封包。

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Token 封包
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每個 Transaction 以 Token 封包做起始。Token 封包定義裝置、Endpoint數量，傳輸的方向。其中 SOF (Start Of Frame) Token 包含目前的 frame 數，而且會廣播 (broadcast) 給所有的 full-speed 裝置知道。SOF 也是唯一一個不指定目標的 Token。 Token Packet 長度固定為 4 個 Byte。

.. image:: /Token Format.jpg

Data 封包
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Data 封包包含處理此動作的資料。一個 Transaction 中，Data 封包最大的資料量為 1023 個 Bytes，高速模式時可達 1024 個 Bytes 以上，其中 Data0 及 Data1 是兩個基本的資料封包，這些資料封包都是接續在 Address 之後，且 Data0 及 Data1 採取交互出現方式以達到同步與除錯的效果。另外在 USB2.0 當中更增加了 Data2 及 MData 資料封包，用於執行高速的即時傳輸(Isochronous Transfers)。

Handshake 封包
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除了即時型傳輸(Isochronous)之外，所有的傳輸都保證資料的傳遞正確。 Handshake 封包回應資料是否正確的被收到。若執行處理動作中發生錯誤，此處理動作將重新執行。



USB Descriptors
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Device Descriptors : 提供裝置基本資訊，例如：USB 版本、最大的 packet 大小、廠商與型號資訊。每個 USB 裝置只能 Device Descriptors 只能有一個。
* Device Descriptors : 提供裝置基本資訊，例如：USB 版本、最大的 packet 大小、廠商與型號資訊。每個 USB 裝置只能 device descriptors 只能有一個。

Configuration Descriptors : 指出 USB 裝置的供電方式、interface 數量。每個 USB 裝置可以擁有不只一個 Configure Descriptor，可視為 interface descriptor 之 header。
* Configuration Descriptors : 指出 USB 裝置的供電方式、interface 數量。每個 USB 裝置可以擁有不只一個 Configure Descriptor，可視為 interface descriptor 之 header。

Interface Descriptors : 提供介面資訊，可視為 endpint descriptor 之 header。在 configuration descriptor 中會指定該 configuration 所擁有的 interface 數量，因此 interface descriptor 可以擁有一個以上。
* Interface Descriptors : 提供介面資訊，可視為 endpint descriptor 之 header。在 configuration descriptor 中會指定該 configuration 所擁有的 interface 數量，因此 interface descriptor 可以擁有一個以上。

Endpoint Descriptors : 描述 endpoint 之行為與頻寬。
* Endpoint Descriptors : 描述 endpoint 之行為與頻寬。

String Descriptors : 提供人類可讀的資訊。
* String Descriptors : 提供人類可讀的資訊。



USB Device Class
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USB 依照裝置的不同，定義許多不同的 class code ，用來聯絡 host 端與 device 端該做出什麼適當的反應，以下為幾個常見分類：


HID Class
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Human Interface Device class，HID 設備屬於人機交互操作的設備，用於操作電腦，如 USB 滑鼠，USB 鍵盤，USB 觸控版，USB 軌跡球等等設備。HID 設備不一定非要是這些人機交互設備，只要符合HID設備級定義規範要求的都可以認為是 HID 設備。

使用 HID 設備的一個好處就是，操作系統自帶了 HID 類的驅動程序，而用戶無需去開發很麻煩的驅動程序，只要直接使用 API 調用即可完成通信。所以很多簡單的 USB 設備，喜歡枚舉成 HID 設備，這樣就可以不用安裝驅動而直接使用。

CDC Class
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Communications Device Class，CDC 類是 USB 通信設備類的簡稱。CDC 類是 USB 組織定義的一類專門給各種通信設備（電信通信設備和中速網絡通信設備）使用的 USB 子類。大部分的作業系統都帶有支持 CDC 類的設備驅動程序，可以自動識別 CDC 類的設備，這樣不僅免去了寫專用設備驅動的負擔，同時簡化了設備驅動的安裝。

MSC Class
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Mass Storage device Class，大容量存儲裝置類別。一種電腦和行動裝置之間的傳輸協議，它允許一個通用串行總線（USB）裝置來訪問主機的計算裝置，使兩者之間進行文件傳輸。

MSC 支持目前大多數的主流操作系統，許多舊版本的操作系統經過版本升級或者係統補丁也能實現對 MSC 的支持。MSC 的通用性和操作簡單使他成為行動裝置上最常見的文件系統，USB MSC 並不需要任何特定的文件系統, 它提供了一個簡單的界面來讀寫接口用於訪問任何硬碟驅動。

USB host and device
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.. image:: /embedded/usb host:device .png
  
 1. SIE(SERIAL INTERFACE ENGINE)


Block Diagram
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.. image:: /USB_block_diagram.png

 1. ID pin 用來辨識OTG(on-the-go)裝置是主機還是週邊
 2. marco-A插頭的ID pin接地 vs marco-B插頭的ID pin懸空，用來區別主機和週邊 （marco-A插主機，marco-B插週邊） 
 3. DP/DM description -- in reference manual 30.3.2
 4. AHB -- Advanced High-performance Bus  
 5. UTMI -- USB 2.0 transceiver macrocell interface

USB OTG(on-the-go)
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原先USB裝置的角色都是固定的(主機或週邊)。
USB OTG讓原本只能為週邊的裝置也能成為主機,例如讓手機接上鍵盤。

傳輸型態
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USB 定義了四種傳輸型態：

 - 控制傳輸（Control Transfers） ：用於控制傳輸命令及狀態操作。像是設定裝置、取得裝置資訊、發送指令到裝置等。每個USB裝置都有一個'端點0'(Endpoint, EP0)，USB Core就是使用他在裝置插入後進行設定。
 - 中斷傳輸（Interrupt Transfers） ：與一般常見的中斷不同（名詞有點誤導），需要 host 端先詢問才會執行。用一個固定速傳輸少量資料，像是USB鍵盤和滑鼠就是屬於這種方式。
 - 批次傳輸（Bulk Transfers）：用於大量資料傳輸且需要確保資料無誤（如傳給印表機或隨身碟），沒有速度限制，若傳輸失敗就會重傳以確保正確。
 - 同時傳輸（Isochronous Transfers） ：同樣用於大量資料傳輸，但不確保資料是否到達。例如例如USB視訊裝置，使用者會期望傳輸聲音或影像的速率是穩定的，若有幾張frame遺失,沒有通過CRC資料也不會重傳。

每種型態有不同的工作流程（stage），每個 stage 會需要不同的封包類型（packet）來實現，如同下表：

+---------------+--------------------+-----------+
| Transfer Type | Stages             | Phases    |
|               | (Transactions)     | (Packets) |
+===============+====================+===========+
| Control       | Setup              | Token     |
+---------------+--------------------+-----------+
|               |                    | Data      |
+---------------+--------------------+-----------+
|               |                    | Handshake |
+---------------+--------------------+-----------+
|               |====================|===========|
+---------------+--------------------+-----------+
|               | Data (IN or Out)   | Token     |
+---------------+--------------------+-----------+
|               |                    | Data      |
+---------------+--------------------+-----------+
|               |                    | Handshake |
+---------------+--------------------+-----------+
|               |====================|===========|
+---------------+--------------------+-----------+
|               | Status (IN or Out) | Token     |  
+---------------+--------------------+-----------+
|               |                    | Data      |
+---------------+--------------------+-----------+
|               |                    | Handshake |
+---------------+--------------------+-----------+
|===============|====================|===========|
+---------------+--------------------+-----------+
| Bulk          | Data (IN or Out)   | Token     |
+---------------+--------------------+-----------+
|               |                    | Data      |
+---------------+--------------------+-----------+
|               |                    | Handshake |
+---------------+--------------------+-----------+
|===============|====================|===========|
+---------------+--------------------+-----------+
| Interrupt     | Data (IN or Out)   | Token     |
+---------------+--------------------+-----------+
|               |                    | Data      |
+---------------+--------------------+-----------+
|               |                    | Handshake |
+---------------+--------------------+-----------+
|===============|====================|===========|
+---------------+--------------------+-----------+
| Isochronous   | Data (IN or Out)   | Token     |
+---------------+--------------------+-----------+
|               |                    | Data      |
+---------------+--------------------+-----------+

demo 程式
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  git clone git://gitcafe.com/KuoE0/DiscoveryF4-USB.git


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  tail -f /var/log/syslog
  sudo cat /sys/kernel/debug/usb/usbmon/0u


Q & A
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 Q: 如何推導出 USB 3種速度（low speed：1.5 Mb/s、full speed 12 Mb/s、high speed 480 Mb/s）的理論值？

 A: 這是原本定義的各種傳輸速度主頻率。

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 Q: packet ID 實際上只使用到前四個 bits，為什麼後四個 bits（check field）是採用前四個 bits 的補數？

 A: USB 採用的是 NRZI 編碼，此作法方便執行，更可避免出現 bit-stuffing。

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 Q: smart phone 接上 PC 後封包傳遞順序？

 A: 主機端的 USB 集線器監視著它的每個端口的信號線的電壓，當USB設備插入主機時，信號線的電壓會發生變化，此時主機知道有新設備插入了。

 當主機檢測到設備的插入後會首選重啟這個設備，接著主機發出 Get_Port_Status 請求來驗證設備是否已經重啟，設備重啟後主機通過檢測根信號線的電壓狀態判斷設備的速度。主機發送第一次 Get_Descriptor（wValue 字段的高字節為 0x01，表示設備描述符）請求取得設備描述符，設備描述符提供了設備的多種信息，包括：設備通訊終端 0 的最大封包的大小、設備支持的配置號以及有關這個設備的其它信息、主機通過對這些信息的分析以確定接下來的通信動作。

 device descriptor 裡規定了設備一個或多個 configuration descriptor，主機再次或多次發出 Get_Descriptor（wValue 字段的高字節為 0x02，表示 configuration）指令來讀取這些 configuration descriptor，第一次只讀出 configuration descriptor 的前 9 個字節，其中包含了 configuration descriptor 和它的所有從屬描述符（interface descriptor、endpoint descriptor）的總長度，然後主機根據這個長度讀出設備的所有 configuration descriptor（當然包括其所有從屬描述符）。

 讀取完 configuration descriptor 後，若之間讀取的 configuration descriptor 中指定了相關 string descriptor（用來描述廠商、產品和設備序列號信息的）的索引，主機將發出若干次 Get_Descriptor（wValue 字段的高字節為 0x03，表示string descriptor）命令來獲得這些string descriptor，此時主機將會彈出窗口，展示發現新設備的信息，產商、產品描述、型號等。在主機已經從它的 descriptor 中知道了能夠知道的所有信息後，便開始為這個設備安裝驅動程序。加載了 USB 設備驅動以後，主機發送 Set_Configuration 命令請求為該設備選擇一個合適的配置。

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 Q: CRC的長度如何得知？

 A: token packet using 5bit CRC

      data packet using 16bit CRC

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參考資料
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http://www.zeroplus.com.tw/E-paper/201112/images/201112-USB20ProtocolAnalyzer.pdf

http://www.baiheee.com/Documents/090522/090522165226.htm

http://csuftp.csu.edu.tw/~k0478/981/USB/USB_02_new.pdf

`USB Audio Class <http://baike.baidu.com/view/7879812.htm>`_

`MSC <http://baike.baidu.com/view/66940.htm>`_

http://chamberplus.myweb.hinet.net/usb.htm

`USB Specification <http://www.usb.org/developers/docs>`_

`STM32F407xx Reference Manual<http://www.st.com/internet/com/TECHNICAL_RESOURCES/TECHNICAL_LITERATURE/REFERENCE_MANUAL/DM00031020.pdf>`_

`USB On The Go <http://www.mem.com.tw/article_content.asp?sn=1101280010>`_

`USB in a NutShell <http://www.beyondlogic.org/usbnutshell/usb1.shtml>`_

`USB 設備的插入檢測 <http://jienyuan.blogspot.tw>`_