USB–Universal Serial Bus即通用串行總線，簡化了計算機與外圍設備的連接；

1 USB概念

主機host: 主機是 USB 系統的控制中心，通常是一個計算機或其他設備，負責管理和協調所有 USB 設備的通信。

Hub: 集線器用于擴展 USB 系統，允許多個設備連接到同一個主機。

設備device：設備是連接到 USB 系統的終端設備，如鍵盤、鼠標、打印機、存儲設備等。

端點endpoint：端點是設備上的一個邏輯實體，用于與主機進行數據傳輸。每個設備可以有多個端點，每個端點都有唯一的地址。

管道Pipe: 管道是主機和設備端點之間的通信路徑。每個管道都有特定的傳輸類型和屬性。

1.1 USB基本名詞

USB協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，同時增加了 A/V 影音傳輸標準 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)：主機和endpoint之間的數據傳輸是PIPE;
4.方向：端點是有方向的，主機到從機成為out端點，從機到主機成為in端點。
5.管道通信方式：pipe中的數據通信方式有兩種，一種是stream一種是message。message要求進出進出方向必須要求同一個管道。
6.傳輸方式：USB endpiont有四種類型，分別對應了不同的數據傳輸方式，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等時傳輸。

控制傳輸：用于配置和管理設備，包括設備枚舉、設置配置和獲取狀態信息。

中斷傳輸：用于傳輸小量的定時數據，如鍵盤和鼠標的輸入。中斷傳輸提供定期的輪詢機制，確保數據的及時傳輸。

批量傳輸：用于傳輸大量數據，如文件傳輸和打印任務。批量傳輸保證數據的完整性和可靠性，但不保證實時性。

等時傳輸：用于實時數據傳輸，如音頻和視頻流。等時傳輸保證數據的實時性和帶寬，但不保證數據的完整性。

1.2 描述符

主設備之所以能區分不同的從設備，靠的就是描述符；USB協議里就規定了各種不同的USB描述符。

+------設備描述符
        +----------配置描述符1
            +----------接口描述符1
                +----------端點描述符1
                +----------端點描述符2
                +....
            +----------接口描述符2
                +----------端點描述符1
                +....
            +....
        +----------配置描述符2
            +----------接口描述符1
                +----------端點描述符1
                +----------端點描述符2
                +....
            +....
        +....

1.2.1 設備描述符

設備描述符：用來描述該設備，一個設備只有一個設備描述符，包含了設備類型、設備遵循的協議、廠商ID、產品id、序列號等。
一個描述符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

用來配置設備，一個設備同一時刻只能有一種配置生效，而且要區分配置和設置的區別。
配置描述符內容：

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interface就代表一個設備。USB interface用來處理一類 USB 邏輯連接, 例如一個鼠標, 一個鍵盤, 或者一個音頻流.但一些 USB 設備有多個接口。

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 端點描述符

USB通信的基本物理單位，一個endpiont只能承載一個方向的數據。endpiont分為如下幾種：

CONTROL
控制端點被用來允許對 USB 設備的不同部分存取. 通常用作配置設備, 獲取關于設備的信息, 發送命令到設備, 或者獲取關于設備的狀態報告. 這些端點在尺寸上常常較小.每個 USB 設備有一個控制端點稱為"端點 0", 被 USB CORE用來在插入時配置設備. 這些傳送由 USB 協議保證來總有足夠的帶寬使它到達設備.

INTERRUPT
中斷端點傳送小量的數據, 以固定的速率在每次 USB 主請求設備數據時. 這些端點對 USB 鍵盤和鼠標來說是主要的傳送方法. 它們還用來傳送數據到 USB 設備來控制設備, 但通常不用來傳送大量數據. 這些傳送由 USB 協議保證來總有足夠的帶寬使它到達設備.

ISOCHRONOUS
同步端點也傳送大量數據, 但是這個數據常常不被保證它完成. 這些端點用在可以處理數據丟失的設備中, 并且更多依賴于保持持續的數據流. 實時數據收集, 例如音頻和視頻設備, 一直都使用這些端點.

BULK端點描述符數據內容如下：

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 協議層

協議層主要包括：數據包類型、數據包的格式、對主機和設備發送的數據包的預期響應、描述了四種USB 3.0事務類型、支持批量傳輸類型的流式傳輸支持、設備/主機可能接收/發送的各種響應和數據包的定時參數。
整個協議包的類型有：

1.3.2 鏈路層

Link Layer鏈路層主要包括：數據包幀、鏈路命令、鏈路管理和流量控制、鏈路錯誤規則/恢復、重置、鏈路狀態機描述；

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。

1.4 USB傳輸

USB總線上傳輸數據是以包(packet)為基本單位的，必須把不同的包組織成事務(transaction)才能傳輸數據。
USB協議定義了四種傳輸(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據都是一個事務。

1.4.1 包packet

一個包被分為不同域，根據不同類型的包，所含的域也是不一樣的。但都要以同步域SYNC開始，緊跟一個包標識符PID,最終以包結束符EOP來結束這個包。

PID域: PID用來標識一個包的類型，它共有8位，只使用低四位，高四位取反，用來校驗PID；
PID規定了四類包: 令牌包 、 數據包 、 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位是設備地址，高4位是端點地址；

幀號域：幀號占11位，主機每發一幀，幀號都會自動加1，當幀號達到0x7FF時，將歸零重新開始計數。

數據域：根據傳輸類型的不同，數據域的數據長度從0到1024字節不等。

CRC域: 計算地址域和幀號域的CRC,或數據域數據的CRC；

1.4.2 包類型

令牌包–四種：
OUT: 通知設備將要輸出一個數據包
IN: 通知設備返回一個數據包
SETUP: 只用在控制傳輸中，也是通知設備將要輸出一個數據包，域OUT令牌的區別是:只使用DATA0數據包，且只能發到device的控制端點
SOF: 在每幀開始時以廣播的形式發送，針對USB全速設備，主機每1ms產生一個幀，USB主機會對當前幀號進行統計，每次幀開始時通過SOF包發送幀號

數據包
數據包沒有地址域和幀號域，根據transfer的類型不同，數據包最大長度有所不同。

握手包–4種
ACK: 傳輸正確完成
NAK: 設備暫時沒有準備好接收數據，或沒有準備好發送數據
STALL: 設備不能用于傳輸
NYET/ERR: 僅用于高速傳輸，設備沒有準備好或出錯

握手包僅有PID域：

1.5 傳輸transfer

事務可以分為三類:

setup事務: 主機用來向設備發送控制命令

數據輸入事務: 主機用來從設備讀取數據

數據輸出事務: 主機用來向設備發送數據

1.5.1 批量傳輸

批量傳輸使用批量傳輸事務(IN傳輸/OUT傳輸)，一次批量傳輸事務分為三個階段: 令牌包階段、數據包階段、握手包階段

描述：
1.令牌階段: 主機發送BULK令牌包，令牌包中包含設備地址、端點號、數據方向
2.數據包階段:
從機如果接收令牌包出錯，無響應，讓主機等待超時
從機端點不存在，回送STALL
從機端點數據未準備好，回送NAK
從機數據準備好，回送數據包

3.握手包階段：數據包正確，并有足夠的空間保留數據，設備返回ACK握手包括：NYET握手包(只有高速模式才有NYET握手包，表示本次數據接收成功，但沒有能力接收下一次傳輸)
    數據包正確，但沒有足夠的空間保存數據，設備返回NAK握手包。主機收到NAK后，延時一段時間后，再重新進行批量輸出事務
    數據包正確，但端點處于掛起狀態；設備返回一個STALL握手包
    數據包錯誤，設備不返回任何握手包，讓主機等待超時

    CRC錯誤或位填充錯誤: 設備不返回任何握手包，讓主機等待超時;

1.5.2 中斷傳輸

    中斷傳輸一般用于小批量的和非連續的數據傳輸，但實時性高的場合，主要應用于人機交互設備(HID)的鼠標和鍵盤。

1.5.3 同步傳輸

    同步傳輸是不可靠的傳輸，只關心數據的實時性，不關心數據的正確性，它沒有握手包，也不支持PID翻轉。主機在排定事務傳輸時，同步傳輸有最高優先級.應用在數據量大，對實時性要求較高的場合，如視頻設備，音頻設備；

同步傳輸包含兩個階段: 令牌階段、數據階段：

1.5.4 控制傳輸

    控制傳輸是一種特殊的傳輸方式。當USB設備初次連接主機時，用控制傳輸傳送控制命令等對設備進行配置。同時設備接入主機時，需要通過控制傳輸去獲取USB設備的描述符以及 對設備進行識別，在設備的枚舉過程中都是使用控制傳輸進行數據交換。

控制傳輸分為三個階段：

建立過程:

主機發送令牌包: SETUP

主機發送數據包: DATA0

設備返回握手包: ACK或不應答

2.數據過程(可選): 一個數據過程可以不包含或包含多個數據事務，但所有數據事務必須是同一方向的。若數據方向發生了改變則認為進入了狀態過程. 數據過程中的第一個數據包必須是DATA1，然后 每次正確傳輸一個數據包后就在DATA0和DATA1之間交替；

            3.狀態過程: 狀態過程只使用DATA1包，并且傳輸方向與數據方向相反。

2 USB1.1 示例
    此Demo只展示創建一個簡單的 USB 設備模塊，該模塊能夠響應主機的請求，并發送和接收數據；實現最基本的控制傳輸功能。

module usb_device (
input wire clk, // 時鐘信號
input wire reset_n, // 復位信號，低電平有效
input wire usb_dp, // USB D+ 信號
input wire usb_dm, // USB D- 信號
output reg usb_dp_out, // USB D+ 輸出
output reg usb_dm_out, // USB D- 輸出
output reg [7:0] data_out, // 發送到主機的數據
input wire [7:0] data_in, // 從主機接收的數據
output reg data_valid, // 數據有效信號
output reg data_ready // 數據準備好信號
);

// 內部狀態機狀態
typedef enum logic [2:0] {
IDLE,
SYNC,
TOKEN,
DATA,
HANDSHAKE
} state_t;

state_t state, next_state;

// 內部寄存器
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
// 接收數據
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
// 發送數據
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