USB-HID学习笔记
USB的概念性知识
USB的特点
USB2.0 有高速、全速和低速三种工作速度，高速是480Mbit/s，全速是12Mbit/s， 低速是1.5Mbit/s。
USB传输距离短，开发、调式难度大
http://www.usb.org/
http://group.ednchina.com/93/
USB是一种主从结构系统，主机叫HOST，从机叫Device（设备）。USB的数据交换只能发生在主机与设备之间，所有的数据传输都是由主机主动发起的，设备只是被动的负责应答，在USB OTG中，一个设备可以在从机与主机之间切换，这样就实现了设备与设备之间的连接。USB OTG增加了一种MINI USB接头，比普通的USB4线多出一条ID标识线，来表明是主机还是设备。
PC上有多个USB主控制器和多个USB口，每个控制器下有一个跟集线器，USB集线器将一个USB口扩展为多个USB口，USB1.1最多为4层，USB2.0最多为6层。理论上，一个USB主控器最多可接入127个设备：协议规定USB设备具有一个7bit的地址（0~127）.
USB传输过程：USB主控器发出命令和数据，通过跟集线器→USB设备，USB设备返回信息→上一层集线器（经历每层集线器）→USB主控制器→CPU。
USB的电气特性
标准USB连接线使用4芯电缆：5V电源线Vbus；差分数据线D-；差分数据线D+；地GND。USB OTG增加了一种MINI USB接头，比普通的USB4线多出一条ID标识线。在USB的低速和全速模式下，采用的是电压传输模式，在高速模式下，采用电流传输模式。
传输速度是指总线上每秒传输的位数，实际速率要低，因为USB有甚多的协议开销。
当数据为0时，电平翻转；数据为1时，电平不翻转。
VBUS电源线，SBU2：2.0设备可悬空，CC1：发电段配置上拉电阻，受电段下拉。DN、DP：差分数据线。
有设备：D+或者D-接一个1.5k的上拉电阻，（D+高速；D-低俗）
HUB集线器:没有设备：D+、D-接入15k的下拉电阻。
USB的描述符
USB1.1定义的标准描述符：设备描述符（Device Descriptor）、配置描述符（Configuration Descriptor）、接口描述符（Interface Descriptor）、端点描述符（Endpoint Descriptor）、字符串描述符（String Descriptor）。
USB2.0协议新增两个描述符（高速（High-Speed，480Mbps））：设备限定描述符（Device Qualifier Descriptor）、其他速度配置描述符（Other Speed Configuration Descriptor）。
特殊的描述符：类特殊描述符（HID描述符和音频接口描述符）、厂商自定义描述符。
一个USB设备只有一个设备描述符，
- 设备描述符：设备使用的USB协议版本号、设备类型、厂商ID、产品PID、版本号等
- 配置描述符：接口数、接口所使用的类、子类、协议等
- 端点描述符：端点号及方向、端点的传输类型、最大包长度、查询间隔等
- 字符串描述符：提供人们阅读的信息，不必需
- 设备限定描述符：用于描述设备在不同速度下的通用特性（如高速 / 全速），仅在设备支持多速度时存在，主机枚举时先读取此描述符，再获取对应速度的配置描述符。
- 其他速度配置描述符：与当前配置描述符一一对应，存储设备在非当前速度下的配置信息（比如设备当前工作在高速模式，此描述符则存储全速模式的配置参数）。
设备{配置{ ；配置{ }；配置{接口{ }；接口{ }；接口{端点{ }；端点{ }；端点{ }}}}。
设备→配置→接口→端点。
如果一个设备的各种描述符成功返回，代表着成功一大半。（描述符不能出现错误，否则无法正常工作）
USB设备的枚举过程
枚举就是从设备读取各种描述符信息。得知设备是什么类型的设备
USB传输模式：控制传输：建立过程（都由主机发送）、可选的数据过程及状态过程。
建立过程：起始于SETUP令牌包→DATA0数据包→数据过程（读传输：输入数据，写传输：输出数据；数据长度为0：没有数据过程）→状态过程（读传输：输出数据包；写传输：输入数据包）；状态过程用来确认数据是否正确传输完成。
- 复位与获取设备描述符（0 地址阶段）
- 设置地址：主机分配一个唯一的 7 位设备地址给该设备。设备收到新地址，必须等待主机发送ACK令牌包，才能启用新地址
- 再次获取设备描述符：主机切换新地址发送建立过程
- 获取配置描述符
- HID设备：报告描述符
USB是串行总线，数据是一位一位进行传输的，LSB在前，最先出来的是最低位，数据传输方向：从设备到主机称为输入，主机到从设备成为输出。
USB总线传输数据以包为单位，不同类型的包包含不同类型的域，包都以同步域开始，由一个包标识符PID，和包结束符EOP来结束这个包，同步域：开始传输数据，用来同步数据时钟，
- 同步域→标识符PID→结束符EOP
PID标识一个包的类型一共8位，其中USB协议使用的只有4位（0~3）另外4位是（0~3）的取反用来校验PID。
| PID 类型 | PID 名称 | PID[3:0] | 说明 |
|---|---|---|---|
| 令牌类 (Token) | OUT | 0001B | 通知设备将要执行输出传输（主机 → 设备） |
| IN | 1001B | 通知设备将要执行输入传输（设备 → 主机） | |
| SOF | 0101B | 帧起始包，用于同步 USB 总线时序（全速每 1ms、高速每 125μs 发送一次） | |
| SETUP | 1101B | 通知设备启动控制传输（用于设备枚举、配置等核心流程） | |
| 数据类 (Data) | DATA0 | 0011B | 基础数据包（与 DATA1 交替，保证传输可靠性） |
| DATA1 | 1011B | 基础数据包（与 DATA0 交替，用于传输同步） | |
| DATA2* | 0111B | 高速 / 等时传输专用数据包 | |
| MDATA* | 1111B | 多字节 / 等时传输专用数据包 | |
| 握手类 (Handshake) | ACK | 0010B | 确认（数据接收成功） |
| NAK | 1010B | 不确认（设备暂时无法发送 / 接收数据） | |
| STALL | 1110B | 挂起（设备端点错误 / 不支持当前请求） | |
| 特殊类 (Special) | NYET* | 0110B | 未准备好（高速设备批量传输专用，用于流量控制） |
| PRE | 1100B | 前导令牌包（用于低速 / 全速设备在高速总线上的兼容通信） | |
| ERR* | 1100B | 错误握手包（高速 / 分裂事务专用，用于错误通知） | |
| SPLIT* | 1000B | 分裂事务令牌包（用于高速主机与低速 / 全速设备通信） | |
| PING* | 0100B | PING 测试令牌包（用于批量传输流量控制，避免 NAK 风暴） | |
| — | 0000B | 保留，未使用 |
EOP大约为2个数据低位SE0，SE0：D+、D-都保持低电平状态
4种包
令牌包：用来启动USB传输，主机发送一个令牌包来通知那个设备响应；
- 输出令牌包（OUT）：用来通知设备将要输出一个数据包
- 输入令牌包（IN）：用来通知设备返回一个数据包
- 建立令牌包（SETUP）：只用在控制传输中，用来通知设备将要输出一个数据包，设备必须要接收
- 帧起始包（SOF）：以广播形式发送，所有的USB设备都可以接到到SOF包
| 令牌包类型 | 字段 1 | 字段 2 | 字段 3 | 字段 4 | 字段 5 | 字段 6 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| SOF 令牌包 | 同步域 | 8 位包标识 PID | 11 位帧号 | 5 位 CRC5 校验 | EOP | |
| OUT/IN/SETUP 令牌包 | 同步域 | 8 位包标识 PID | 7 位地址域 | 4 位端点域 | 5 位 CRC5 校验 | EOP |
同步域：用于收发端时钟同步；帧号：USB帧编号，用于时间同步
数据包：传输数据
| USB数据包 | 同步域 | 8 位包标识 PID | 字节 0 | 字节 N | 16 位 CRC16 校验 | EOP |
|---|
8位标识PID：标识数据包类型（DATA0/DATA1/DATA2/DATA_M），用于传输同步、重传控制，自带 4 位取反校验，用在当握手包出错时纠错。
数据域：0~1024 字节（字节 0~ 字节 N）；承载实际传输的有效业务数据，长度由 USB 传输类型（控制 / 批量 / 中断 / 等时）决定，
16位CRC16校验：仅对数据域内容做完整性校验，不包含PID。
握手包：用来表示一个传输是否被对方确认
| 握手包 | 同步域 | 包标识PID | EOP |
握手包有ACK、NAK、STALL、NYET。
- ACK：主机 / 设备；正确接收数据，且有足够空间容纳数据
- NAK：仅设备；无数据需要返回，或数据正确接收但无足够空间容纳
- STALL：仅设备；无法执行请求，或端点已挂起（错误状态)
- NYET：仅设备（USB2.0 高速），本次数据成功接收，但无足够空间接收下一次数据
特殊包：特殊场合使用的包
| 特殊包类型 | 横向结构字段 | 核心用途 / 适用场景 |
|---|---|---|
| PRE(前缀令牌包) | 同步域 + 8 位包标识 PID + EOP | 通知集线器打开低速端口；仅全速模式使用，以全速模式发送 |
| ERR(错误握手包) | 同步域 + 8 位包标识 PID + EOP | USB2.0 新增；在高速分裂事务中表示错误使用 |
| SPLIT(高速分裂令牌包) | 同步域 + 8 位包标识 PID + 附加控制域 + EOP | USB2.0 新增；高速事务分包，实现高速设备与全速 / 低速设备的交互 |
| PING(探测令牌包) | 同步域 + 8 位包标识 PID +7位地址域+4位端点域+ EOP | USB2.0 新增；仅批量 / 控制传输输出事务；不发数据，仅收 ACK/NAK 判断空间 |
如何处理数据包
USB 数据包处理由接口芯片自动化完成，软件仅需：
- 配置芯片，操作端点读写数据。
- 依据芯片标志判断传输状态（成功 / 失败 / 忙）。
- 无需关注 CRC、位填充、握手等底层协议细节。
USB的4种传输类型
USB定义了数据在总线上传输的基本单位是包，但是我们不能随意的使用包来传输数据，必须按照一定的关系把这些不同的包组织成事务（transaction）才能传输
USB事务：令牌包、数据包、握手包
- 令牌包：启动一个事务，由主机发送
- 数据包：传送数据，方向由令牌包来指定
- 握手包：通常由数据接收者发送，当数据接收正确后，发送握手包；或者没准备接受，发送NAK
批量传输：使用批量事务传输数据
一次批量事务有三个阶段：令牌包阶段、数据包阶段、握手包阶段。每个阶段都是一个独立的包。
批量传输分为批量读（批量输入事务）和批量写（批量输出事务），批量传输通常用在数据量大、对数据的实时性不高的场合。例如：USB打印机、扫描仪大容量存储设备等。
- 批量输出事务：主机先发出一个OUT令牌包，携带目标设备地址、端点号，发起数据传输请求，再发送DATA 数据包（DATA0/DATA1，由数据切换位决定），承载实际业务数据，主机切换为接收模式，等待设备响应；设备校验数据后，根据状态返回对应握手包。（由主机完全主导，设备被动响应）
- 批量输入事务：主机发送IN 令牌包，携带目标设备地址、端点号，主动请求设备返回数据，主机切换为接收模式，等待设备发送数据；设备校验地址 / 端点无误后，组装并发送DATA 数据包（DATA0/DATA1，由数据切换位决定）；设备发送数据后，等待主机响应；主机校验数据后，根据状态返回对应握手包。
在批量输入事务中，主机检测到设备发送NCK或者STALL之后，主机不作回应（USB协议规定主机禁止使用NAK），设备等待超时，进入下一轮。
- USB2.0新增PING令牌机制：
| 特性 | 细节说明 |
|---|---|
| 核心目的 | 解决 USB 1.1 中 IN 事务无缓冲区反馈导致的带宽浪费 |
| 包结构 | 仅含同步域 + PID+EOP（无数据域），结构与 IN 令牌包一致 |
| 工作流程 | 主机先发 PING 包试探 → 设备返回 ACK/NAK/STALL → 确认有空间后再发 IN 包获取数据 |
| 适用场景 | 仅 USB 2.0 高速环境，用于批量 / 控制传输的输入事务，提升总线利用率 |
平时无数据传输时，总线处于空闲状态。当需要传输一次事务时，主机发送一个令牌包，可以是OUT令牌包，IN令牌包或者是PING令牌包。如果设备解码令牌包出错时，总线直接进入空闲状态
一次正确批量输入事务
| 发送主体 | 包类型 | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 主机发送 | IN 令牌包 | 同步域 | IN PID | 7 位地址 | 4 位端点号 | 5 位 CRC5 校验 | EOP |
| 设备返回 | DATA0 数据包 | 同步域 | DATA0 PID | 字节 0 | 字节 1 | 16 位 CRC16 校验 | EOP |
| 主机应答 | ACK 握手包 | 同步域 | ACK PID | EOP |
DATA0和DATA1交替
一次批量输出事务
| 发送主体 | 包类型 | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 主机发送 | OUT 令牌包 | 同步域 | OUT PID | 7 位地址 | 4 位端点号 | 5 位 CRC5 校验 | EOP |
| 主机发送 | DATA0 数据包 | 同步域 | DATA0 PID | 字节 0 | 字节 1 | 16 位 CRC16 校验 | EOP |
| 设备应答 | ACK 握手包 | 同步域 | ACK PID | EOP |
中断传输：周期传输、是一种保证查询频率的传输
主机保证在不大于某个时间间隔内安排一次传输，主机按端点描述符的查询间隔轮询（固定频率），中断传输用在数据量不大，对时间要求较严格的设备中，例如：人机接口设备（HID）中的鼠标、键盘等，中断传输还可以用来不断地检测某个状态，当条件满足后在使用批量传输来传送大量的数据。无PING、NYET
中断事务流程：
等时传输：周期传输、用在数据量大、实时性要求高的场合
对数据延迟很敏感例如：音频或者视频设备，对少量数据错可以容忍，但是不能停顿。当数据错误时，并不进行重传操作，因此等时传输没有应答包。
控制传输：分为三过程，建立过程、可选的数据过程、状态过程
建立过程使用一个建立事务，建立事务是一个输出数据的过程，数据包类型仅支持DATA0数据包，仅允许ACK应答，出错无响应。
数据过程是可选的，一个控制传输可能没有数据过程，如果有，一个数据过程可以包含一笔或者多笔数据事务。在数据传输过程中，所有的数据事务必须是同一个传输方向的（输入传输或者输出传输），一旦传输方向发生改变，就会认为进入到了下一个过程。
状态过程：是一笔批量事务，要保证数据传输过程的数据完整性，设备枚举过程中各种描述符的获取以及设置地址、设置配置等，都是通过控制传输来实现的。
| 阶段 | 必要性 | 核心作用 | 事务类型 | 数据包规则 | 数据方向 |
|---|---|---|---|---|---|
| 建立过程（Setup Stage） | 强制（必须有） | 发送控制请求（如设置地址、获取描述符等） | SETUP 事务（输出） | 仅用DATA0包 | 主机→设备（输出） |
| 数据过程（Data Stage） | 可选（可无） | 传输控制请求对应的业务数据 | 批量输入 / 输出事务 | 首包用DATA1，之后 DATA0/DATA1 交替；方向全程统一 | 控制读：设备→主机（输入）；控制写：主机→设备（输出） |
| 状态过程（Status Stage） | 强制（必须有） | 确认传输完成，状态反馈 | 批量事务 | 仅用DATA1包 | 与数据阶段方向相反（控制写：输入 IN；控制读：输出 OUT） |
端点类型域传输类型的关系
一个具体的端点，只能工作在一种传输模式下。通常，我们把工作在什么模式下的端点，就叫做什么端点。例如，控制端点、批量端点等。 端点 0 是每个 USB 设备都必须具备的默认控制端点，它一上电就存在并且可用。设备的各种描述符以及主机发送的一些命令，都是通过端点 0 传输的。其他端点是可选的，需要根据具体的设备来决定。非 0 端点只有在 Set Config 之后才能使用。
每个 USB 端点的端点描述符中，会明确规定该端点支持的最大数据包长。主机向该端点发送数据时，单次发送的数据包长度绝对不能超过该端点的最大包长限制，否则会导致传输错误。
| 传输类型 | 低速模式 (Low-Speed) | 全速模式 (Full-Speed) | 高速模式 (High-Speed) | 核心适用场景 |
|---|---|---|---|---|
| 控制传输 | 固定为8 字节 | 可在8/16/32/64 字节中选择 | 固定为64 字节 | 设备枚举、配置、状态控制（所有 USB 设备必须支持） |
| 等时传输 | ❌ 不支持 | 最大上限1023 字节 | 最大上限1024 字节 | 实时低延迟数据（音频、视频流） |
| 中断传输 | 最大上限8 字节 | 最大上限64 字节 | 最大上限1024 字节 | 小数据量、低延迟交互（鼠标、键盘、HID 设备） |
| 批量传输 | ❌ 不支持 | 可在8/16/32/64 字节中选择 | 固定为512 字节 | 大容量非实时数据（U 盘、打印机、存储设备） |
在USB中，采用的是D+、D-两条线的电位差，重复发送规律的电平来进行时钟的同步
反向不归零编码：遇见0有电平的跳变，遇1没有电平的跳变。波形有跳变代表着传输的是0，波形无变化，代表传输的是1。要是发送很多1，发送方在发送6个1之后必须要插入1，位填充。
所有传输都是bit0先传输LSB，
事务→包→域→bit
D12芯片读取流程：拉低片选，A0地址线用于选择命令还是数据，WR-N写信号，上升沿稳定才可写入，RD-N读选通信号，拉低有效，拉高结束读信号，
写命令：A0设置命令状态，将写信号拉低，发送的数据，拉高写信号，写完后，将总线设置输入状态，避免总线冲突，
USB识别分为电气识别和协议识别，电气识别主要是识别设备是高速、全速还是低速设备，协议识别就是区分USB设备属于哪种USB的Class，比如CDC设备，MSC设备、HID设备