USB 全称为 Universal Serial Bus，翻译过来就是通用串行总线。由英特尔与众多电脑公司提出来，用于规范电脑与外部设备的连接与通讯。目前 USB 接口已经得到了大范围的应用，已 经是电脑、手机等终端设备的必配接口，甚至取代了大量的其他接口。
比如最新的智能手机均 采用 USB Typec 取代了传统的 3.5mm 耳机接口，苹果最新的 MacBook 只有 USB Typec 接口， 至于其他的 HDMI、网口等均可以通过 USB Typec 扩展坞来扩展。
按照大版本划分，USB 目前可以划分为 USB1.0、USB2.0、USB3.0 以及即将到来的 USB4.0。
USB1.0：USB 规范于 1995 年第一次发布，由 Inter、IBM、Microsoft 等公司组成的 USBIF(USB Implement Forum)组织提出。USB-IF 于 1996 年正式发布 USB1.0，理论速度为 1.5Mbps。 1998 年 USBIF 在 USB1.0 的基础上提出了 USB1.1 规范。
USB2.0：USB2.0 依旧由 Inter、IBM、Microsoft 等公司提出并发布，USB2.0 分为两个版 本:Full-Speed 和 High-Speed，也就是全速(FS)和高速(HS)。USB2.0 FS 的速度为 12Mbps，USB2.0 HS 速度为 480Mbps。目前大多数单片机以及低端 Cortex-A 芯片配置的都是 USB2.0 接口，比 如 STM32 和 ALPHA 开发板所使用的 I.MX6ULL。USB2.0 全面兼容 USB1.0 标准。
USB3.0：USB3.0 同样有 Inter 等公司发起的，USB3.0 最大理论传输速度为 5.0Gbps，USB3.0 引入了全双工数据传输，USB2.0 的 480Mbps 为半双工。USB3.0 中两根线用于发送数据，另外 两根用于接收数据。在 USB3.0 的基础上又提出了 USB3.1、USB3.2 等规范，USB3.1 理论传输 速度提升到了 10Gbps，USB3.2 理论传输速度为 20Gbps。为了规范 USB3.0 标准的命名，USBIF 公布了最新的 USB 命名规范，原来的 USB3.0 和 USB3.1 命名将不会采用，所有的 3.0 版本 的 USB 都命名为 USB3.2，以前的 USB3.0、USB3.1 和 USB3.2 分别叫做 USB3.2 Gen1、USB3.2 Gen2、USB3.2 Gen 2X2。
USB4.0：目前还在标准定制中，目前还没有设备搭载，据说是在 Inter 的雷电接口上改进而 来。USB4.0 的速度将提升到了 40Gbps，最高支持 100W 的供电能力，只需要一根线就可以完 成数据传输与供电，极大的简化了设备之间的链接线数，期待 USB4.0 设备上市。
最常见的就是 USB A 插头和插座如下：
USB-A有4根线，第 1 根线为 VBUS，电压为 5V，第 2 根线为 D-，第 3 根线为 D+，第 4 根线为 GND。USB 采用差分信号来传输数据，D-和 D+两根差分信号线。第1根和第4根用来供电，因此仔细去看会发现触点稍长与第2第3个触点。
使用过JLINK 调试器的朋友应该还见过USB B插头和插座。
Mini USB 有 5 个触点，也就是 5 根线。第 1 根线为 VCC(5V)，第 2 根线为 D-，第 3 根线为 D+，第 4 根线为 ID， 第 5 根线为 GND。可以看出 Mini USB 插头相比 USB A 插头多了一个 ID 线，这个 ID 线用于 实现 OTG（后面有讲） 功能，通过 ID 线来判断当前连接的是主设备(HOST)还是从设备(SLAVE)。
以前的安卓手机，包括现在还有很多蓝牙耳机，数据线充电线都还是Micro USB的。不过已经慢慢被USB TypeC取代了。
现在最流行的就是 USB TypeC了,笔记本电脑，手机，耳机，数据线充电线都慢慢喜欢用TypeC了。
USB 是一种支持热插拔的总线接口，使用差分线(D-和 D+)来传输数据，USB 支持两种供 电模式：总线供电和自供电，总线供电就是由 USB 接口为外部设备供电，在 USB2.0 下，总线 供电最大可以提供 500mA 的电流。
1.0使用低速模式，1.1开始支持全速模式，2.0开始支持高速模式，3.0开始支持超速模式。
OHCI：全称为 Open Host Controller Interface，这是一种 USB 控制器标准，厂商在设计 USB 控制器的时候需要遵循此标准，用于 USB1.1 标准。OHCI 不仅仅用于 USB，也支持一些其他的 接口，比如苹果的 Firewire 等，OHCI 由于硬件比较难，所以软件要求就降低了，软件相对来说 比较简单。OHCI 主要用于非 X86 的 USB，比如扩展卡、嵌入式 USB 控制器。
UHCI：全称是 Universal Host Controller Interface，UHCI 是 Inter 主导的一个用于 USB1.0/1.1 的标准，与 OHCI 不兼容。与 OHCI 相比 UHCI 硬件要求低，但是软件要求相应就高了，因此 硬件成本上就比较低。
EHCI：全称是 Enhanced Host Controller Interface，是 Inter 主导的一个用于 USB2.0 的 USB 控制器标准。EHCI 仅提供 USB2.0 的高速功能，至于全速和低速功能就由 OHCI 或 UHCI 来提供。市面上大部分usb host都支持EHCI。
xHCI：全称是 eXtensible Host Controller Interface，是目前最流行的 USB3.0 控制器标准， 在速度、能效和虚拟化等方面比前三个都有较大的提高。xHCI 支持所有速度种类的 USB 设备， xHCI 出现的目的就是为了替换前面三个。
USB也是分为主机和从机两部分，一般主机叫做 Host，从机叫做 Device,比如我们的电脑USB是主机，接的USB外设如键盘，鼠标，u盘等被叫做从机。
我们电脑带的USB A 插座数量就决定了你能外接多少个USB设备，如果不够用的话我们可以购买 USB集线器来扩展电脑的 USB 插口，USB 集线器也叫做 USB HUB, 下图是一个一拖四的 USB HUB，也就是将一个 USB接口扩展为 4 个。
虽然我们可以对原生的USB口数量进行扩展，但是不能对拓展口的带宽速率进行扩展，比如我有一个USB host 带宽最大为 480Mbps，对它进行usb hub拓展成4个口，这样四个口的带宽总速率就是480Mbps。
以nxp主控为例，使用 GL850G 这个 HUB 芯片将 I.MX6ULL 的 USB OTG2 扩展成了 4 路 HOST 接口。
其中 HUB_DP4/DM4 用于 4G 模块，因 此对外提供的只有三个 USB HOST 接口，这三个 USB HOST 接口如下：
USB 只能主机与设备之间进行数据通信，USB 主机与主机、设备与设备之间是不能通信的。 因此两个正常通信的 USB 接口之间必定有一个主机，一个设备。
在 一个 USB 系统中，仅有一个 USB 主机，但是可以有多个 USB 设备，包括 USB 功能设备和 USB HUB，最多支持 127 个设备。一个 USB 主控制器支持 128 个地址，地址 0 是默认地址，只有在 设备枚举的时候才会使用，地址 0 不会分配给任何一个设备。所以一个 USB 主控制器最多可以 分配 127 个地址。整个 USB 的拓扑结构就是一个分层的金字塔形：
USB OTG 就是把USB 接口既可以做 HOST，也可以做 DEVICE。那如何知道应该工作在 HOST 还是 DEVICE 呢？
前面讲mini USB不是讲过多一根ID线嘛，ID线的高低电平表示 USB 口工作在 HOST 还是 DEVICE 模式：
USB A这一头没有ID线因此作为从设备，另一头比如typeC, mini-USB有ID线，ID线将电平拉低，表示处于OTG主机模式，用来连接外部从机比如U盘。
左侧的为 Mini USB 插座，右边为USB A 插座。
从机(DEVICE)模式：USB_OTG_VBUS 是电源端子，只有插入 Mini USB 线以后 USB_OTG_VBUS 才有效(5V)。插入 Mini USB 线就表示开发板此时要做从机 ，USB_OTG_VBUS 就是电脑供的 5V 电压，由于分压电阻 R111 和 R31 的作用，此时 USB_OTG1_ID 的电压就是 4.5V 左右，很明显这一个高电平。前面我们讲了，当 ID 线为高的时候就表示 OTG 工作在从机模式。
主机(HOST)模式：主机模式下必须将 Mini USB 线拔出来，将 USB 设备插头连接到对应的 USB HOST 接口上。Mini USB 线拔出来以后 USB_OTG_VBUS 就没有电压了，此时 USB_OTG1_ID 线就被 R31 这个 100K 电阻下拉到地，因此 USB_OTG1_ID 线的电压就为 0，当 ID 线为 0 的时 候就表示 OTG 工作在主机模式。
我们软件设置 USB_OTG1_ID 设置为gpio下拉，配成电平，也就是默认 工作在主机(HOST)模式下。当插入mini-USB插线后就工作在从机(DEVICE)模式。
USB 设备使用描述符来向主机报告自己的相关属性信息：
记录了设备的 USB 版本号、设备类型、VID(厂商 ID)、PID(产品 ID)、设备序列号等。
设备描述符的 域定义了一个 USB 设备的配置描述符数量，一个 USB 设备至少有一个。
配置描述符里面包含设备可提供的接口(Interface)数量、配置编号、 供电信息等。
字符串描述符是可选的，字符串描述符用于描述一些方便人们阅读的信息，比如制造商、 设备名称啥的。如果一个设备没有字符串描述符，那么其他描述符中和字符串有关的索引值都 必须为 0。
wLANGID[0]~wLANGID[x] 指明了设备支持的语言。主机会再次根据自己所需的语言向设备请求字符串描述符，这次会主机会指明要得到的字 符串索引值和语言。
配置描述符中指定了该配置下的接口数量，可以提供一个或多个接口，接口描述符用于描 述接口属性。接口描述符中一般记录接口编号、接口对应的端点数量、接口所述的类等。
接口描述符定义了其端点数量。端点是设备与主机进行传输的逻辑接口，除了端 点 0 是双向端口，其他的端口都是单向的。
端点描述符描述了传输类型、方向、数据包大小、 端点号等信息。
USB 协议定义了 4 种不同的包结构：
- 令牌(Token)包
- 数据(Data)包
- 握手(Handshake)包
- 特殊(Special)包
四种包通过包标识符 PID 来区分，PID 共有 8 位，USB 协议使用低 4 位 PID3~PID0，另外的高四位 PID7~PID4 是 PID3~PID0 的取反，传输顺序是 PID0、PID1、PID2、PID3…PID7。
一个完整的包分为多个域，每个包共同的域有以同步域(SYNC)开始，后面紧跟着包标识符 (PID)，最终都以包结束(EOP)信号结束。不同的数据包中间位域不同，一般有包目标地址(ADDR)、 包目标端点(ENDP)、数据、帧索引、CRC 等。
下面展开介绍不同包的组成结构：
同步域：为 00000001，也 就是连续 7 个 0，后面跟一个 1，如果是高速设备的话就是 31 个 0 后面跟一个 1。
从pid = 0xb4等于1011，0010可以看到是一个SETUP。因为PID[3:0]对应1101。因此PID[7：4]对应0010.
由于传输顺序因此得到0xb4.
PID 后面跟着地址域(ADDR)和端点域(ENDP)，为目标设备的地址和端点号。CRC5 域是 5 位 CRC 值，是 ADDR 和 ENDP 这两个域的校验值。最后就是包结束域(EOP)，标记本数据包结 束。
其他令牌包的结构和 SETUP 基本类似，只是 SOF 令包中间没有 ADDR 和 ENDP 这两个 域，而是只有一个 11 位的帧号域。
PID =0xc3, 这里就是 对应DATA0，PID 值为 0XC3。接下来就是具体的数据，数据完了以后就是 16 位的 CRC 校验值，最 后是 EOP。
这是一个ACK 握手包，很简单，首先是 SYNC 同步域，然后就是 ACK 包的 PID，为 0X4B，最后就是 EOP。其他握手包一样的，PID不一样。
端点描述符中 指定了端点的传输类型，一共有 4 种:
控制传输一般用于特定的请求，比如枚举过程就是全部由控制传输来完成的，比如获取描述符、设置地址、设置配置等。
控制传输分为三个阶段：
数据阶段的所有输入事务必须是同一个方向的，比如都为 IN 或都为 OUT。数据阶段的第一个数据包必须是 DATA1，每 次正确传输以后就在 DATA0 和 DATA1 之间进行切换。数据阶段完成以后就是状态阶段，状态 阶段的传输方向要和数据阶段相反，比如数据阶段为 IN 的话状态阶段就要为 OUT，状态阶段 使用 DATA1 包,比如一个读控制传输格式如下：
2.3.1.1 USB 枚举过程
USB 设备与 USB 主机连接以后主机就会对 USB 设备进行枚举，获取设备的描述符信息，主机得到这些信息以后就知道该加载什么样的驱动、如何进行通信等。枚举过程如下：
同步传输没有握手阶段，即使 数据传输出错了也不会重传。比如于周期性、低时延、数据量大的场合，像音视频传输，这些场合对于时延要求很高，但是不要求数据 100%正确，允许有少量的错误。
同样，批量传输就是用于大批量传输大块数据的，这些数据对实时性没有要求，比如 MSD 类设备(存储设备)，U 盘之类的。批量传输 分为批量读(输入)和批量写(输出)，如果是批量读的话第一阶段的 IN 令牌包，如果是批量写那 么第一阶段就是 OUT 令牌包。
批量写：
批量读：
中断传输适用于传输数据量小、具有周期性并且要求响应速度快的数据，比如键盘、鼠标等。中断的端点会在端点描述符中报告自己的查询时间间隔，对于时间要求严格的设备可以采用中断传输。
下面以具体的芯片来介绍usb控制器。（usb控制器源码待补充）
明显鼠标键盘作为usb从设备，开发板做 USB 主机。像外接 USB 设备，比如 USB 鼠标键盘、USB 转 TTL 串口线、U 盘等设备，都是开发板子做HOST。
USB 鼠标键盘属于 HID 设备，内核已经集成了相应的驱动，NXP 官方提供的 linux 内核默 认已经使能了 USB 鼠标键盘驱动。
使能 USB 键盘和鼠标驱动:
4.1.2.1 测试鼠标
使能后重新编译kernel,得到zImage烧录开发板。启动如果看到如下打印表示USB鼠标。
系统检测到了 Logitech(罗技)的鼠标，在 /dev/input 目录下生成一个名为eventX(X=0,1,2,3…)的文件，这个就是我们前面讲的输入子系统， 鼠标和键盘都是作为输入子系统设备的。
我这里是对应/dev/input/event3 这个设备，我们可以hexdump查看鼠标的input原始数据：
如果我们适配了GUI 和LCD显示面板，如QT。就可以直接使用鼠标看到鼠标移动踪迹。
4.1.2.2 测试键盘
如果我们适配了GUI 和LCD显示面板，可以直接将LCD作为终端控制台。编辑添加一行代码：
重启开发板，此时屏幕就会作为终端控制台，会有“Please press Enter to activate this console.”这样提示:
接上键盘, 输入回车，就可以输入各种命令来执行相应的操作：
- U 盘使用 SCSI 协议，因此要先使能 Linux 内核中的 SCSI 协议：
- 使能 USB Mass Storage
插上U盘到板子的USB A HOST插槽，打印如下：
注意linux下U盘尽量用fat32或者ext3格式。
检测到 U 盘插入，大小为 32GB，对应的设备文件为
-t 指定挂载所使用的文件系统类型，这里设置为 vfat，也就是 FAT 文件系统，“-o iocharset” 设置硬盘编码格式为 utf8，否则的话 U 盘里面的中文会显示乱码.
如果要弹出U盘：
前面测试USB都是测试的HOST模式。我们想要开发板测试利用OTG作为DEVICE模式。
前面1.6.2 节讲过：USB OTG 默认工作在主机(HOST)模式下，因此 ID 线应该是低电平。软件需要设置电器属性。
打开设备树：在 节 点的子节点下添加 GPIO1_IO00 引脚信息, 将 GPIO1_IO00 复用为 OTG1 ID，并且设置电气属性为 0X13058，默认下拉， 设备树修改好以后重新编译并用新的设备树启动系统。
OTG 从机就是将开发板作为一个 USB 设备连接到其他的主机上，这里我们来做两个 USB 从机实验：模拟 U 盘以及 USB 声卡。
4.3.2.1 开发板当成U盘
将开发板当做一个 U 盘，可以将开发板上的 U 盘或者 TF 卡挂载到 PC 上去。
这里我们将USB驱动编译为模块，日常中基本很少这样子用。使用的时候直接输入命令加载驱动模块即可。编译后的模块如下：
在开发板上插入一个 U 盘，记住这 个 U 盘对应的设备文件，比如我们这里是/dev/sda 和/dev/sda1，以后要将/dev/sda1挂载到 PC 上， 也就是把/dev/sda1 作为模拟 U 盘的存储区域。
连接完线后,在板子上insmod驱动：
如果加载成功的话, PC电脑就会出现一个 U 盘，这个 U 盘就是我们开发板模拟的:
我们可以直接在电脑上对这个 U 盘进行读写操作，实际上操作的就是插在开发板上的 U 盘。操作完成以后要退出的话执行如下命令：
注意U盘一定要是fat32文件系统格式。
注意！不要将开发板上的 EMMC 或者 NAND 作为模拟 U 盘的存储区域，因为 linux 下 EMMC和NAND使用的文件系统一般都是EXT3/EXT4和UBIFS，这些文件系统类型和windows 下的不兼容，如果挂载的话就会在 windows 下提示要你格式化 U 盘。
4.3.2.2 开发板模拟成USB声卡
我们知道电脑主机有些内置声卡效果很差，买了外接USB声卡其实就是利用USB OTG。
同理我们把板子可以当成一个usb从设备，开发板板载了音频解码芯片，因此可以将开发板作为一个外置 USB 声卡。
这里也要将audio部分编译成ko:
使用 Mini USB 线将开发板与电脑连接起来,并且从板子上安装声卡驱动：
加载完成以后稍等一会虚拟出一个 USB 声卡，打开电脑的设备管理器，即可找到对应的连接设备：
设置 windows，选择音 频输出使用“AC Interface”进行输出：
这时候我们的电脑输出声音就从板子扬声器输出了，是不是感觉很有乐趣。
4.3.2.3 USB OTG烧录板子
板子USB烧录，同理也是把板子当成从机device，PC作为host，烧录板子的nand flash or emmc存储。
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