USB–Universal Serial Bus即通用串行總線，簡化了計(jì)算機(jī)與外圍設(shè)備的連接；

1 USB概念

主機(jī)host: 主機(jī)是 USB 系統(tǒng)的控制中心，通常是一個(gè)計(jì)算機(jī)或其他設(shè)備，負(fù)責(zé)管理和協(xié)調(diào)所有 USB 設(shè)備的通信。

Hub: 集線器用于擴(kuò)展 USB 系統(tǒng)，允許多個(gè)設(shè)備連接到同一個(gè)主機(jī)。

設(shè)備device：設(shè)備是連接到 USB 系統(tǒng)的終端設(shè)備，如鍵盤、鼠標(biāo)、打印機(jī)、存儲(chǔ)設(shè)備等。

端點(diǎn)endpoint：端點(diǎn)是設(shè)備上的一個(gè)邏輯實(shí)體，用于與主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。每個(gè)設(shè)備可以有多個(gè)端點(diǎn)，每個(gè)端點(diǎn)都有唯一的地址。

管道Pipe: 管道是主機(jī)和設(shè)備端點(diǎn)之間的通信路徑。每個(gè)管道都有特定的傳輸類型和屬性。

1.1 USB基本名詞

USB協(xié)議均是版本向下兼容。

USB 1.0/1.1(low/full speed)，傳輸速率最大為12Mbps

USB 2.0(high speed)， 傳輸速率最大480Mbps

USB 3.0(super speed)， 采用8b/10b編碼，增加一對超高速差分線 傳輸速率最大5Gbps

USB 3.1 采用 128b/132b 編碼，速度提高 1 倍，供電 20V/5A，同時(shí)增加了 A/V 影音傳輸標(biāo)準(zhǔn) 10 Gbps

USB 3.2 增加一對超高速傳輸通道，速度再次翻倍，只能在 C 型接口上運(yùn)行 20Gbps

2.USB物理接口形式分類：Type A、Type C；這兩種是最常見的物理接口；

3.PIPE(管道)：主機(jī)和endpoint之間的數(shù)據(jù)傳輸是PIPE;
4.方向：端點(diǎn)是有方向的，主機(jī)到從機(jī)成為out端點(diǎn)，從機(jī)到主機(jī)成為in端點(diǎn)。
5.管道通信方式：pipe中的數(shù)據(jù)通信方式有兩種，一種是stream一種是message。message要求進(jìn)出進(jìn)出方向必須要求同一個(gè)管道。
6.傳輸方式：USB endpiont有四種類型，分別對應(yīng)了不同的數(shù)據(jù)傳輸方式，分別為control transfers控制傳輸、interrupt transfers中斷傳輸、Bluk Data transfers批量傳輸、Isochronous Data Tranfers等時(shí)傳輸。

控制傳輸：用于配置和管理設(shè)備，包括設(shè)備枚舉、設(shè)置配置和獲取狀態(tài)信息。

中斷傳輸：用于傳輸小量的定時(shí)數(shù)據(jù)，如鍵盤和鼠標(biāo)的輸入。中斷傳輸提供定期的輪詢機(jī)制，確保數(shù)據(jù)的及時(shí)傳輸。

批量傳輸：用于傳輸大量數(shù)據(jù)，如文件傳輸和打印任務(wù)。批量傳輸保證數(shù)據(jù)的完整性和可靠性，但不保證實(shí)時(shí)性。

等時(shí)傳輸：用于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸，如音頻和視頻流。等時(shí)傳輸保證數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性和帶寬，但不保證數(shù)據(jù)的完整性。

1.2 描述符

主設(shè)備之所以能區(qū)分不同的從設(shè)備，靠的就是描述符；USB協(xié)議里就規(guī)定了各種不同的USB描述符。

+------設(shè)備描述符
        +----------配置描述符1
            +----------接口描述符1
                +----------端點(diǎn)描述符1
                +----------端點(diǎn)描述符2
                +....
            +----------接口描述符2
                +----------端點(diǎn)描述符1
                +....
            +....
        +----------配置描述符2
            +----------接口描述符1
                +----------端點(diǎn)描述符1
                +----------端點(diǎn)描述符2
                +....
            +....
        +....

1.2.1 設(shè)備描述符

設(shè)備描述符：用來描述該設(shè)備，一個(gè)設(shè)備只有一個(gè)設(shè)備描述符，包含了設(shè)備類型、設(shè)備遵循的協(xié)議、廠商ID、產(chǎn)品id、序列號(hào)等。
一個(gè)描述符Demo:

DEVICE DESCRIPTOR
    bLength: 18
    bDescriptorType: 0x01 (DEVICE)
    bcdUSB: 0x0200
    bDeviceClass: Vendor Specific (0xff)
    bDeviceSubClass: 255
    bDeviceProtocol: 255
    bMaxPacketSize0: 64
    idVendor: Marvell Semiconductor, Inc. (0x1286)
    idProduct: Unknown (0x812a)
    bcdDevice: 0x0000
    iManufacturer: 3
    iProduct: 2
    iSerialNumber: 0
    bNumConfigurations: 1

1.2.2 配置描述符

用來配置設(shè)備，一個(gè)設(shè)備同一時(shí)刻只能有一種配置生效，而且要區(qū)分配置和設(shè)置的區(qū)別。
配置描述符內(nèi)容：

ONFIGURATION DESCRIPTOR
    bLength: 9
    bDescriptorType: 0x02 (CONFIGURATION)
    wTotalLength: 121
    bNumInterfaces: 4
    bConfigurationValue: 1
    iConfiguration: 0
    Configuration bmAttributes: 0xc0  SELF-POWERED  NO REMOTE-WAKEUP
        1... .... = Must be 1: Must be 1 for USB 1.1 and higher
        .1.. .... = Self-Powered: This device is SELF-POWERED
        ..0. .... = Remote Wakeup: This device does NOT support remote wakeup
    bMaxPower: 250  (500mA)

1.2.3 接口描述符

一個(gè)interface就代表一個(gè)設(shè)備。USB interface用來處理一類 USB 邏輯連接, 例如一個(gè)鼠標(biāo), 一個(gè)鍵盤, 或者一個(gè)音頻流.但一些 USB 設(shè)備有多個(gè)接口。

INTERFACE DESCRIPTOR (2.0): class Vendor Specific
    bLength: 9
    bDescriptorType: 0x04 (INTERFACE)
    bInterfaceNumber: 2
    bAlternateSetting: 0
    bNumEndpoints: 2
    bInterfaceClass: Vendor Specific (0xff)
    bInterfaceSubClass: 0x00
    bInterfaceProtocol: 0x00
    iInterface: 8

1.2.4 端點(diǎn)描述符

USB通信的基本物理單位，一個(gè)endpiont只能承載一個(gè)方向的數(shù)據(jù)。endpiont分為如下幾種：

CONTROL
控制端點(diǎn)被用來允許對 USB 設(shè)備的不同部分存取. 通常用作配置設(shè)備, 獲取關(guān)于設(shè)備的信息, 發(fā)送命令到設(shè)備, 或者獲取關(guān)于設(shè)備的狀態(tài)報(bào)告. 這些端點(diǎn)在尺寸上常常較小.每個(gè) USB 設(shè)備有一個(gè)控制端點(diǎn)稱為"端點(diǎn) 0", 被 USB CORE用來在插入時(shí)配置設(shè)備. 這些傳送由 USB 協(xié)議保證來總有足夠的帶寬使它到達(dá)設(shè)備.

INTERRUPT
中斷端點(diǎn)傳送小量的數(shù)據(jù), 以固定的速率在每次 USB 主請求設(shè)備數(shù)據(jù)時(shí). 這些端點(diǎn)對 USB 鍵盤和鼠標(biāo)來說是主要的傳送方法. 它們還用來傳送數(shù)據(jù)到 USB 設(shè)備來控制設(shè)備, 但通常不用來傳送大量數(shù)據(jù). 這些傳送由 USB 協(xié)議保證來總有足夠的帶寬使它到達(dá)設(shè)備.

ISOCHRONOUS
同步端點(diǎn)也傳送大量數(shù)據(jù), 但是這個(gè)數(shù)據(jù)常常不被保證它完成. 這些端點(diǎn)用在可以處理數(shù)據(jù)丟失的設(shè)備中, 并且更多依賴于保持持續(xù)的數(shù)據(jù)流. 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)收集, 例如音頻和視頻設(shè)備, 一直都使用這些端點(diǎn).

BULK端點(diǎn)描述符數(shù)據(jù)內(nèi)容如下：

ENDPOINT DESCRIPTOR
    bLength: 7
    bDescriptorType: 0x05 (ENDPOINT)
    bEndpointAddress: 0x86  IN  Endpoint:6
        1... .... = Direction: IN Endpoint
        .... 0110 = Endpoint Number: 0x6
    bmAttributes: 0x02
        .... ..10 = Transfertype: Bulk-Transfer (0x2)
    wMaxPacketSize: 512
        .... ..10 0000 0000 = Maximum Packet Size: 512
    bInterval: 0

1.3 USB的分層

1.3.1 協(xié)議層

協(xié)議層主要包括：數(shù)據(jù)包類型、數(shù)據(jù)包的格式、對主機(jī)和設(shè)備發(fā)送的數(shù)據(jù)包的預(yù)期響應(yīng)、描述了四種USB 3.0事務(wù)類型、支持批量傳輸類型的流式傳輸支持、設(shè)備/主機(jī)可能接收/發(fā)送的各種響應(yīng)和數(shù)據(jù)包的定時(shí)參數(shù)。
整個(gè)協(xié)議包的類型有：

1.3.2 鏈路層

Link Layer鏈路層主要包括：數(shù)據(jù)包幀、鏈路命令、鏈路管理和流量控制、鏈路錯(cuò)誤規(guī)則/恢復(fù)、重置、鏈路狀態(tài)機(jī)描述；

1.3.3 物理層

定義了高速組件之間互操作性所需的電氣層參數(shù)。

1.4 USB傳輸

USB總線上傳輸數(shù)據(jù)是以包(packet)為基本單位的，必須把不同的包組織成事務(wù)(transaction)才能傳輸數(shù)據(jù)。
USB協(xié)議定義了四種傳輸(transfer)類型: 批量傳輸 , 同步傳輸 , 中斷傳輸 , 控制傳輸 .其中，批量傳輸、同步傳輸、中斷傳輸每傳輸一次數(shù)據(jù)都是一個(gè)事務(wù)。

1.4.1 包packet

一個(gè)包被分為不同域，根據(jù)不同類型的包，所含的域也是不一樣的。但都要以同步域SYNC開始，緊跟一個(gè)包標(biāo)識(shí)符PID,最終以包結(jié)束符EOP來結(jié)束這個(gè)包。

PID域: PID用來標(biāo)識(shí)一個(gè)包的類型，它共有8位，只使用低四位，高四位取反，用來校驗(yàn)PID；
PID規(guī)定了四類包: 令牌包 、 數(shù)據(jù)包 、 握手包 、 特殊包 . 同類的包又各分為具體的四種包：

地址域: 地址共占11位，其中低7位是設(shè)備地址，高4位是端點(diǎn)地址；

幀號(hào)域：幀號(hào)占11位，主機(jī)每發(fā)一幀，幀號(hào)都會(huì)自動(dòng)加1，當(dāng)幀號(hào)達(dá)到0x7FF時(shí)，將歸零重新開始計(jì)數(shù)。

數(shù)據(jù)域：根據(jù)傳輸類型的不同，數(shù)據(jù)域的數(shù)據(jù)長度從0到1024字節(jié)不等。

CRC域: 計(jì)算地址域和幀號(hào)域的CRC,或數(shù)據(jù)域數(shù)據(jù)的CRC；

1.4.2 包類型

令牌包–四種：
OUT: 通知設(shè)備將要輸出一個(gè)數(shù)據(jù)包
IN: 通知設(shè)備返回一個(gè)數(shù)據(jù)包
SETUP: 只用在控制傳輸中，也是通知設(shè)備將要輸出一個(gè)數(shù)據(jù)包，域OUT令牌的區(qū)別是:只使用DATA0數(shù)據(jù)包，且只能發(fā)到device的控制端點(diǎn)
SOF: 在每幀開始時(shí)以廣播的形式發(fā)送，針對USB全速設(shè)備，主機(jī)每1ms產(chǎn)生一個(gè)幀，USB主機(jī)會(huì)對當(dāng)前幀號(hào)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，每次幀開始時(shí)通過SOF包發(fā)送幀號(hào)

數(shù)據(jù)包
數(shù)據(jù)包沒有地址域和幀號(hào)域，根據(jù)transfer的類型不同，數(shù)據(jù)包最大長度有所不同。

握手包–4種
ACK: 傳輸正確完成
NAK: 設(shè)備暫時(shí)沒有準(zhǔn)備好接收數(shù)據(jù)，或沒有準(zhǔn)備好發(fā)送數(shù)據(jù)
STALL: 設(shè)備不能用于傳輸
NYET/ERR: 僅用于高速傳輸，設(shè)備沒有準(zhǔn)備好或出錯(cuò)

握手包僅有PID域：

1.5 傳輸transfer

事務(wù)可以分為三類:

setup事務(wù): 主機(jī)用來向設(shè)備發(fā)送控制命令

數(shù)據(jù)輸入事務(wù): 主機(jī)用來從設(shè)備讀取數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)輸出事務(wù): 主機(jī)用來向設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)

1.5.1 批量傳輸

批量傳輸使用批量傳輸事務(wù)(IN傳輸/OUT傳輸)，一次批量傳輸事務(wù)分為三個(gè)階段: 令牌包階段、數(shù)據(jù)包階段、握手包階段

描述：
1.令牌階段: 主機(jī)發(fā)送BULK令牌包，令牌包中包含設(shè)備地址、端點(diǎn)號(hào)、數(shù)據(jù)方向
2.數(shù)據(jù)包階段:
從機(jī)如果接收令牌包出錯(cuò)，無響應(yīng)，讓主機(jī)等待超時(shí)
從機(jī)端點(diǎn)不存在，回送STALL
從機(jī)端點(diǎn)數(shù)據(jù)未準(zhǔn)備好，回送NAK
從機(jī)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好，回送數(shù)據(jù)包

3.握手包階段：數(shù)據(jù)包正確，并有足夠的空間保留數(shù)據(jù)，設(shè)備返回ACK握手包括：NYET握手包(只有高速模式才有NYET握手包，表示本次數(shù)據(jù)接收成功，但沒有能力接收下一次傳輸)
    數(shù)據(jù)包正確，但沒有足夠的空間保存數(shù)據(jù)，設(shè)備返回NAK握手包。主機(jī)收到NAK后，延時(shí)一段時(shí)間后，再重新進(jìn)行批量輸出事務(wù)
    數(shù)據(jù)包正確，但端點(diǎn)處于掛起狀態(tài)；設(shè)備返回一個(gè)STALL握手包
    數(shù)據(jù)包錯(cuò)誤，設(shè)備不返回任何握手包，讓主機(jī)等待超時(shí)

    CRC錯(cuò)誤或位填充錯(cuò)誤: 設(shè)備不返回任何握手包，讓主機(jī)等待超時(shí);

1.5.2 中斷傳輸

    中斷傳輸一般用于小批量的和非連續(xù)的數(shù)據(jù)傳輸，但實(shí)時(shí)性高的場合，主要應(yīng)用于人機(jī)交互設(shè)備(HID)的鼠標(biāo)和鍵盤。

1.5.3 同步傳輸

    同步傳輸是不可靠的傳輸，只關(guān)心數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性，不關(guān)心數(shù)據(jù)的正確性，它沒有握手包，也不支持PID翻轉(zhuǎn)。主機(jī)在排定事務(wù)傳輸時(shí)，同步傳輸有最高優(yōu)先級(jí).應(yīng)用在數(shù)據(jù)量大，對實(shí)時(shí)性要求較高的場合，如視頻設(shè)備，音頻設(shè)備；

同步傳輸包含兩個(gè)階段: 令牌階段、數(shù)據(jù)階段：

1.5.4 控制傳輸

    控制傳輸是一種特殊的傳輸方式。當(dāng)USB設(shè)備初次連接主機(jī)時(shí)，用控制傳輸傳送控制命令等對設(shè)備進(jìn)行配置。同時(shí)設(shè)備接入主機(jī)時(shí)，需要通過控制傳輸去獲取USB設(shè)備的描述符以及 對設(shè)備進(jìn)行識(shí)別，在設(shè)備的枚舉過程中都是使用控制傳輸進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

控制傳輸分為三個(gè)階段：

建立過程:

主機(jī)發(fā)送令牌包: SETUP

主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)包: DATA0

設(shè)備返回握手包: ACK或不應(yīng)答

2.數(shù)據(jù)過程(可選): 一個(gè)數(shù)據(jù)過程可以不包含或包含多個(gè)數(shù)據(jù)事務(wù)，但所有數(shù)據(jù)事務(wù)必須是同一方向的。若數(shù)據(jù)方向發(fā)生了改變則認(rèn)為進(jìn)入了狀態(tài)過程. 數(shù)據(jù)過程中的第一個(gè)數(shù)據(jù)包必須是DATA1，然后 每次正確傳輸一個(gè)數(shù)據(jù)包后就在DATA0和DATA1之間交替；

            3.狀態(tài)過程: 狀態(tài)過程只使用DATA1包，并且傳輸方向與數(shù)據(jù)方向相反。

2 USB1.1 示例
    此Demo只展示創(chuàng)建一個(gè)簡單的 USB 設(shè)備模塊，該模塊能夠響應(yīng)主機(jī)的請求，并發(fā)送和接收數(shù)據(jù)；實(shí)現(xiàn)最基本的控制傳輸功能。

module usb_device (
input wire clk, // 時(shí)鐘信號(hào)
input wire reset_n, // 復(fù)位信號(hào)，低電平有效
input wire usb_dp, // USB D+ 信號(hào)
input wire usb_dm, // USB D- 信號(hào)
output reg usb_dp_out, // USB D+ 輸出
output reg usb_dm_out, // USB D- 輸出
output reg [7:0] data_out, // 發(fā)送到主機(jī)的數(shù)據(jù)
input wire [7:0] data_in, // 從主機(jī)接收的數(shù)據(jù)
output reg data_valid, // 數(shù)據(jù)有效信號(hào)
output reg data_ready // 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好信號(hào)
);

// 內(nèi)部狀態(tài)機(jī)狀態(tài)
typedef enum logic [2:0] {
IDLE,
SYNC,
TOKEN,
DATA,
HANDSHAKE
} state_t;

state_t state, next_state;

// 內(nèi)部寄存器
reg [7:0] token_reg;
reg [7:0] data_reg;
reg [7:0] handshake_reg;

// 組合邏輯部分
always_comb begin
next_state = state;
usb_dp_out = 1'bz;
usb_dm_out = 1'bz;
data_valid = 1'b0;
data_ready = 1'b0;

case (state)
IDLE: begin
if (usb_dp && !usb_dm) begin
next_state = SYNC;
end
end
SYNC: begin
if (!usb_dp && usb_dm) begin
next_state = TOKEN;
end
end
TOKEN: begin
token_reg = {usb_dm, token_reg[7:1]};
if (token_reg[0]) begin
next_state = DATA;
end
end
DATA: begin
if (token_reg[0]) begin
// 接收數(shù)據(jù)
data_reg = {usb_dm, data_reg[7:1]};
if (data_reg[0]) begin
data_out = data_reg;
data_valid = 1'b1;
next_state = HANDSHAKE;
end
end else begin
// 發(fā)送數(shù)據(jù)
usb_dp_out = data_in[7];
usb_dm_out = ~data_in[7];
data_in = {1'b0, data_in[7:1]};
if (data_in[0]) begin
data_ready = 1'b1;
next_state = HANDSHAKE;
end
end
end
HANDSHAKE: begin
// 發(fā)送握手包
handshake_reg = 8'b00000011; // ACK
usb_dp_out = handshake_reg[7];
usb_dm_out = ~handshake_reg[7];
handshake_reg = {1'b0, handshake_reg[7:1]};
if (handshake_reg[0]) begin
next_state = IDLE;
end
end
endcase
end

// 時(shí)序邏輯部分
always_ff @(posedge clk or negedge reset_n) begin
if (!reset_n) begin
state <= IDLE;
end else begin
state <= next_state;
end
end

endmodule