一、USB协议介绍
1、概述
（1）USB是“Universal Serial Bus Specification”的缩写，是一种主从协议，支持多个从机，所有传输都由主机发起。
（2）USB的硬件线数与串口一致（VCC、GND、D＋、D－），USB将数据线作为差分线。
（3）不管是哪种通信协议，都有通用的要求，USB协议也是如此，具体要求如下：
①位数据的传输由时钟信号驱动。
②数据帧至少具有开始标识、数据段和结束标识三部分。
③如果要求可靠传输，则数据帧必须具备校验字段。
2、USB协议硬件电路
（1）USB设备分为低速、全速和高速三种。
①USB高速/全速设备标准原理图：
[1]主机/Hub端：D＋、D－各内置15kΩ的下拉电阻到GND。
[2]设备端：D＋内置1.5kΩ的上拉电阻到VCC；USB收发器为Full-speed USB Transceiver，斜率缓冲为标准速率（电平跳变边沿变化快）。
[3]线缆差分阻抗为90Ω。
[4]有USB设备接入主机时，D＋被上拉到高电平，D－保持低电平，主机能够判断有设备接入，且是高速/全速设备。
②USB低速设备标准原理图：
[1]主机/Hub端：D＋、D－各内置15kΩ的下拉电阻到GND。
[2]设备端：D－内置1.5kΩ的上拉电阻到VCC；USB收发器为Low-speed USB Transceiver，带低速斜率缓冲（电平跳变边沿变化平缓，能够降低EMI干扰）。
[3]线缆差分阻抗为90Ω。
[4]有USB设备接入主机时，D－被上拉到高电平，D＋保持低电平，主机能够判断有设备接入，且是低速设备。
③USB收发器：
[1]USB收发器是MCU内部或外部芯片里处理D＋/D－差分电平的模拟硬件模块，负责把内部数字比特流转换成USB差分J/K/SE0总线电平，输出到D＋/D－，同时也负责采D＋/D－差分电压，将总线上的比特信号还原给内核。
[2]USB收发器内置差分曼彻斯特编码/解码硬件，可以自动识别SOP/EOP时序。
（2）USB协议采用差分信号，即D＋、D－两线电压差区分总线状态，一共有4种静态组合：
总线状态 | 指示 |
差分1 | D＋为高电平，D－为低电平 |
差分0 | D＋为低电平，D－为高电平 |
单端0（SE0） | D＋和D－为低电平 |
单端1（SE1） | D＋和D－为高电平 |
（3）USB协议定义了J状态和K状态，用于屏蔽不同速度模式的区别，为免异义，下面如无特殊说明，都以高速USB2.0为标准进行介绍。
速度模式 | J状态 | K状态 |
低速USB1.1 | 差分0 | 差分1 |
全速USB1.1 | 差分1 | 差分0 |
高速USB2.0 | 差分1 | 差分0 |
①总线长期保持J状态，代表没有数据传输。
②总线长时间（超过10ms）处于SE0状态，主机将下发复位指令，设备重启USB控制器。
③总线保持K状态一段时间（也称为恢复状态），将唤醒休眠的USB设备。
④总线如果处于SE1状态，说明发生硬件故障。
（4）USB的比特传输：
①USB采用差分曼彻斯特编码：传输比特0，比特中间位置发生J→K状态翻转，传输结束后发送K→J状态翻转；传输比特1，比特中间位置发生不发生J/K状态翻转，保持J状态。
②接收方可以从比特0的跳变处提取时钟信号，不用单独拉时钟线，实现自同步。
②与CAN协议类似，USB协议也有位填充机制，如果连续发送6个比特1，硬件会强制插入一个比特0，制造一次跳变，以同步时钟，另外USB收发器会自动识别这个填充位并剔除，上层数据帧格式无需关注。
3、USB协议的帧格式
（1）数据帧第一层传输格式封装：
①SOP：数据帧的起始标志。总线空闲时处于J状态，当要传输数据时，总线先切换到K状态，这个J→K的跳变就是SOP，接收方识别到这段时序，判定数据帧传输开始。
②DATA：USB不硬性规定数据包的长度，数据包格式将在下一层封装中展开。
③EOP：数据帧的结束标志。数据包传输完成后，总线保持两个bit时长的SE0状态，然后切换到J状态保持一个bit的时长，接收方识别到这段时序，判定数据帧传输完毕。
（2）数据帧第二层传输格式封装：
①PID（Packet ID）：包类型标识，长度为8bit，低4位为高4位取反。
②Packet：根据PID的不同，数据帧格式会有差异，具体将在下一层封装中展开。
（3）数据帧第三层传输格式封装：
①令牌PID：只能由主机发送，是总线调度的核心，主要用于发起一次数据传输，并指定读或写。
IN：主机要求从设备上传数据，使用该令牌
OUT：主机要下发数据给从设备，使用该令牌
SETUP：控制传输专用，主机配置从设备的参数、枚举
ADDR：从机设备地址，长度为7bit
EP：端点，指明本次数据传输使用的端点通道，长度为4bit
CRC5：使用CRC5根据PID＋ADDR＋EP计算而得的校验码，长度为4bit，如果CRC校验不通过，接收端会丢弃数据帧
②特殊PID：主机定时广播（1ms发送一次），同步总线时序。
SOF：所有设备都会接收SOF
FRAME：帧计数器FrameNumber，长度为11bit（0~2047循环使用）
CRC5：使用CRC5根据PID＋FRAME计算而得的校验码，长度为4bit，如果CRC校验不通过，接收端会丢弃数据帧
③握手PID：只能由从机回复主机时发送，从设备收到令牌或数据后，回复主机传输状态，用于传输应答。
ACK：从机回复积极响应，表示数据传输可继续进行
NAK：从机回复消极响应，表示暂时忙（无法处理数据）或无数据（主机请求的数据不存在），数据传输暂时无法进行，需要等待从机一段时间
STALL：从机回复端点出错，传输停止，需要主机重置
④数据PID：主机和从机都可发送，用于承载上层业务数据，紧跟在令牌包后面出现。
DATA0：上一个发送数据包的PID为DATA1，那么本次发送数据包的PID为DATA0，数据接收方根据数据PID判断是否存在丢包的情况
DATA1：上一个发送数据包的PID为DATA0，那么本次发送数据包的PID为DATA1，数据接收方根据数据PID判断是否存在丢包的情况
Payload：数据载荷，长度不定
CRC16：使用CRC16根据PID＋Payload计算而得的校验码，长度为16bit，如果CRC校验不通过，接收端会丢弃数据帧
4、USB设备的通信方式
（1）端点EndPoint的概念：
①端点是USB设备内部独立的收发缓存通道，编号0~15，也就是说一个设备最多可用16个通道，主机根据设备地址和端点号，就能锁定总线上某设备的某一条专用数据通道。
②EP0是控制端点，只能用于控制传输，设备上电后，主机只通过EP0和设备通信，使用SETUP令牌包完成设备识别、参数配置等。
③EP1~EP15是自定义端点，每个端点可以绑定中断传输、批量传输、同步传输中的一种传输类型，用于传输业务数据。
④端点区分IN方向和OUT方向，一个端点编号同时存在IN、OUT两条独立通道，由令牌PID决定读写方向。主机读设备，设备通过IN端点上传数据；主机写设备，主机通过OUT端点下发数据。
（2）USB的四大传输类型：
①控制传输：唯一绑定EP0端点，用于设备枚举、配置、查询设备描述符、复位端点，所有USB设备强制支持，数据帧出错会自动重传。设备上电后，主机通过EP0端点发送SETUP令牌，设备回应后，主机可以读取设备的描述符，识别设备类型，加载对应的驱动。
②中断传输：主机按固定周期定时发IN令牌，设备有数据则回复ACK，并将数据上报主机，无数据则回复NAK，数据帧出错会自动重传。（适用于鼠标、键盘、按键这类周期性少量上报设备）
③批量传输：总线空闲时，主机持续发送IN令牌和OUT令牌，尽可能地占用总线带宽（带宽优先级低于同步传输和中断传输），设备有数据则回复ACK，并将数据上报主机，无数据则回复NAK，数据帧出错会自动重传。（适用于U盘、虚拟串口、固件下载等）
④同步传输：主机每隔1ms（发送一次SOF帧，设备有数据则上报主机，无数据则不回复。不同于中断传输的是，同步传输无ACK机制，允许少量丢包，数据帧出错不重传，并且带宽优先级高于批量传输和中断传输。（适用于音频、摄像头、喇叭这类可接受不可靠传输的设备）
（3）USB设备地址：
①USB是主从架构，只有1个主机，多个从设备共享一条总线，总线所有信号广播发送，主机靠ADDR区分目标设备，目标设备靠ADDR判断是否需要处理该信号。
②每个从设备上电枚举后，主机会为其分配唯一的地址（范围为1~127）。
（4）USB设备的描述符：
①下图是USB设备所有描述符的层级从属结构示例，主机在枚举时通过EP0控制传输逐级读取这套描述符，才能识别设备功能、分配驱动、打开对应端点通道。
②Device Descriptor设备描述符：
一个USB设备只有1个设备描述符，是主机需要读取的第一个描述符
设备描述符存放全局基础信息，如USB协议版本、厂商ID VID、产品ID PID、设备版本号，主机获取VID/PID以去系统匹配对应的驱动，另外全局基础信息还有设备EP0支持的最大包长度、设备支持的配置Configuration种数（上图所示的示例中，有两套配置）
③Configuration Descriptor配置描述符：
一个USB设备可以做多套硬件配置，主机上电后只能激活其中一套配置
每套配置包含的信息有配置的总功耗、是否能自供电、该套配置包含多少接口
④Interface Descriptor接口描述符：
接口描述符依附在配置下，一套配置里可以包含多个接口，对应不同的功能
接口描述符记录接口编号、备用设置号、设备的类及子类、使用的协议，以及接口下包含多少端点
⑤Endpoint Descriptor端点描述符：
端点描述符依附在接口下，每个业务端点对应一张端点描述符（EP0没有端点描述符）
端点描述符包含核心传输参数，如端点地址（EP号＋IN/OUT方向）、传输类型（中断/批量/同步）、单次最大数据包长度、中断轮询间隔（中断传输专用），主机读取后就知道，访问这个端点该用哪种传输方式、一次最多传多少数据
二、STM32中的USB外设
1、USB外设简介
（1）STM32内置USB从控制器，支持USB全速通信，符合USB2.0技术规范。
（2）STM32F103的USB模块实现了标准USB接口的所有特性，它由串行接口控制器（SIE）、定时器、分组缓冲器接口、端点相关寄存器、控制寄存器和中断寄存器等部分组成。
（3）STM32F103C8T6的硬件USB资源只有USB1，本文基于STM32F103C8T6进行USB外设的介绍。
2、USB外设的数据传输
（1）USB数据传输通过一个专用的数据缓冲区来完成，它能被USB外设直接访问，其大小由所使用的端点数目和每个端点最大数据分组大小所决定。
（2）每个端点最大可使用512字节缓冲区（和CAN外设共用一个专用的512字节SARM存储器，也就是说USB外设和CAN外设不能同时使用），最多可用于16个单向端点或8个双向端点。
（3）USB模块同PC主机通信，根据USB规范实现了令牌分组的检测、数据发送/接收的处理、握手分组的处理，整个传输的格式由硬件完成，其中包括CRC的生成和校验、位填充机制等，程序只需关心报文数据，而无需关注总线的电平细节。
