USB–Universal Serial Bus即通用串行总线，简化了计算机与外围设备的连接；

1 USB概念

主机host: 主机是 USB 系统的控制中心，通常是一个计算机或其他设备，负责管理和协调所有 USB 设备的通信。

Hub: 集线器用于扩展 USB 系统，允许多个设备连接到同一个主机。

设备device：设备是连接到 USB 系统的终端设备，如键盘、鼠标、打印机、存储设备等。

端点endpoint：端点是设备上的一个逻辑实体，用于与主机进行数据传输。每个设备可以有多个端点，每个端点都有唯一的地址。

管道Pipe: 管道是主机和设备端点之间的通信路径。每个管道都有特定的传输类型和属性。

1.1 USB基本名词

USB协议均是版本向下兼容。

USB 1.0/1.1(low/full speed)，传输速率最大为12Mbps

USB 2.0(high speed)， 传输速率最大480Mbps

USB 3.0(super speed)， 采用8b/10b编码，增加一对超高速差分线 传输速率最大5Gbps

USB 3.1 采用 128b/132b 编码，速度提高 1 倍，供电 20V/5A，同时增加了 A/V 影音传输标准 10 Gbps

USB 3.2 增加一对超高速传输通道，速度再次翻倍，只能在 C 型接口上运行 20Gbps

2.USB物理接口形式分类：Type A、Type C；这两种是最常见的物理接口；

3.PIPE(管道)：主机和endpoint之间的数据传输是PIPE;
4.方向：端点是有方向的，主机到从机成为out端点，从机到主机成为in端点。
5.管道通信方式：pipe中的数据通信方式有两种，一种是stream一种是message。message要求进出进出方向必须要求同一个管道。
6.传输方式：USB endpiont有四种类型，分别对应了不同的数据传输方式，分别为control transfers控制传输、interrupt transfers中断传输、Bluk Data transfers批量传输、Isochronous Data Tranfers等时传输。

控制传输：用于配置和管理设备，包括设备枚举、设置配置和获取状态信息。

中断传输：用于传输小量的定时数据，如键盘和鼠标的输入。中断传输提供定期的轮询机制，确保数据的及时传输。

批量传输：用于传输大量数据，如文件传输和打印任务。批量传输保证数据的完整性和可靠性，但不保证实时性。

等时传输：用于实时数据传输，如音频和视频流。等时传输保证数据的实时性和带宽，但不保证数据的完整性。

1.2 描述符

主设备之所以能区分不同的从设备，靠的就是描述符；USB协议里就规定了各种不同的USB描述符。

+------设备描述符
        +----------配置描述符1
            +----------接口描述符1
                +----------端点描述符1
                +----------端点描述符2
                +....
            +----------接口描述符2
                +----------端点描述符1
                +....
            +....
        +----------配置描述符2
            +----------接口描述符1
                +----------端点描述符1
                +----------端点描述符2
                +....
            +....
        +....

1.2.1 设备描述符

设备描述符：用来描述该设备，一个设备只有一个设备描述符，包含了设备类型、设备遵循的协议、厂商ID、产品id、序列号等。
一个描述符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

用来配置设备，一个设备同一时刻只能有一种配置生效，而且要区分配置和设置的区别。
配置描述符内容：

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

一个interface就代表一个设备。USB interface用来处理一类 USB 逻辑连接, 例如一个鼠标, 一个键盘, 或者一个音频流.但一些 USB 设备有多个接口。

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 端点描述符

USB通信的基本物理单位，一个endpiont只能承载一个方向的数据。endpiont分为如下几种：

CONTROL
控制端点被用来允许对 USB 设备的不同部分存取. 通常用作配置设备, 获取关于设备的信息, 发送命令到设备, 或者获取关于设备的状态报告. 这些端点在尺寸上常常较小.每个 USB 设备有一个控制端点称为"端点 0", 被 USB CORE用来在插入时配置设备. 这些传送由 USB 协议保证来总有足够的带宽使它到达设备.

INTERRUPT
中断端点传送小量的数据, 以固定的速率在每次 USB 主请求设备数据时. 这些端点对 USB 键盘和鼠标来说是主要的传送方法. 它们还用来传送数据到 USB 设备来控制设备, 但通常不用来传送大量数据. 这些传送由 USB 协议保证来总有足够的带宽使它到达设备.

ISOCHRONOUS
同步端点也传送大量数据, 但是这个数据常常不被保证它完成. 这些端点用在可以处理数据丢失的设备中, 并且更多依赖于保持持续的数据流. 实时数据收集, 例如音频和视频设备, 一直都使用这些端点.

BULK端点描述符数据内容如下：

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的分层

1.3.1 协议层

协议层主要包括：数据包类型、数据包的格式、对主机和设备发送的数据包的预期响应、描述了四种USB 3.0事务类型、支持批量传输类型的流式传输支持、设备/主机可能接收/发送的各种响应和数据包的定时参数。
整个协议包的类型有：

1.3.2 链路层

Link Layer链路层主要包括：数据包帧、链路命令、链路管理和流量控制、链路错误规则/恢复、重置、链路状态机描述；

1.3.3 物理层

定义了高速组件之间互操作性所需的电气层参数。

1.4 USB传输

USB总线上传输数据是以包(packet)为基本单位的，必须把不同的包组织成事务(transaction)才能传输数据。
USB协议定义了四种传输(transfer)类型: 批量传输 , 同步传输 , 中断传输 , 控制传输 .其中，批量传输、同步传输、中断传输每传输一次数据都是一个事务。

1.4.1 包packet

一个包被分为不同域，根据不同类型的包，所含的域也是不一样的。但都要以同步域SYNC开始，紧跟一个包标识符PID,最终以包结束符EOP来结束这个包。

PID域: PID用来标识一个包的类型，它共有8位，只使用低四位，高四位取反，用来校验PID；
PID规定了四类包: 令牌包 、 数据包 、 握手包 、 特殊包 . 同类的包又各分为具体的四种包：

地址域: 地址共占11位，其中低7位是设备地址，高4位是端点地址；

帧号域：帧号占11位，主机每发一帧，帧号都会自动加1，当帧号达到0x7FF时，将归零重新开始计数。

数据域：根据传输类型的不同，数据域的数据长度从0到1024字节不等。

CRC域: 计算地址域和帧号域的CRC,或数据域数据的CRC；

1.4.2 包类型

令牌包–四种：
OUT: 通知设备将要输出一个数据包
IN: 通知设备返回一个数据包
SETUP: 只用在控制传输中，也是通知设备将要输出一个数据包，域OUT令牌的区别是:只使用DATA0数据包，且只能发到device的控制端点
SOF: 在每帧开始时以广播的形式发送，针对USB全速设备，主机每1ms产生一个帧，USB主机会对当前帧号进行统计，每次帧开始时通过SOF包发送帧号

数据包
数据包没有地址域和帧号域，根据transfer的类型不同，数据包最大长度有所不同。

握手包–4种
ACK: 传输正确完成
NAK: 设备暂时没有准备好接收数据，或没有准备好发送数据
STALL: 设备不能用于传输
NYET/ERR: 仅用于高速传输，设备没有准备好或出错

握手包仅有PID域：

1.5 传输transfer

事务可以分为三类:

setup事务: 主机用来向设备发送控制命令

数据输入事务: 主机用来从设备读取数据

数据输出事务: 主机用来向设备发送数据

1.5.1 批量传输

批量传输使用批量传输事务(IN传输/OUT传输)，一次批量传输事务分为三个阶段: 令牌包阶段、数据包阶段、握手包阶段

描述：
1.令牌阶段: 主机发送BULK令牌包，令牌包中包含设备地址、端点号、数据方向
2.数据包阶段:
从机如果接收令牌包出错，无响应，让主机等待超时
从机端点不存在，回送STALL
从机端点数据未准备好，回送NAK
从机数据准备好，回送数据包

3.握手包阶段：数据包正确，并有足够的空间保留数据，设备返回ACK握手包括：NYET握手包(只有高速模式才有NYET握手包，表示本次数据接收成功，但没有能力接收下一次传输)
    数据包正确，但没有足够的空间保存数据，设备返回NAK握手包。主机收到NAK后，延时一段时间后，再重新进行批量输出事务
    数据包正确，但端点处于挂起状态；设备返回一个STALL握手包
    数据包错误，设备不返回任何握手包，让主机等待超时

    CRC错误或位填充错误: 设备不返回任何握手包，让主机等待超时;

1.5.2 中断传输

    中断传输一般用于小批量的和非连续的数据传输，但实时性高的场合，主要应用于人机交互设备(HID)的鼠标和键盘。

1.5.3 同步传输

    同步传输是不可靠的传输，只关心数据的实时性，不关心数据的正确性，它没有握手包，也不支持PID翻转。主机在排定事务传输时，同步传输有最高优先级.应用在数据量大，对实时性要求较高的场合，如视频设备，音频设备；

同步传输包含两个阶段: 令牌阶段、数据阶段：

1.5.4 控制传输

    控制传输是一种特殊的传输方式。当USB设备初次连接主机时，用控制传输传送控制命令等对设备进行配置。同时设备接入主机时，需要通过控制传输去获取USB设备的描述符以及 对设备进行识别，在设备的枚举过程中都是使用控制传输进行数据交换。

控制传输分为三个阶段：

建立过程:

主机发送令牌包: SETUP

主机发送数据包: DATA0

设备返回握手包: ACK或不应答

2.数据过程(可选): 一个数据过程可以不包含或包含多个数据事务，但所有数据事务必须是同一方向的。若数据方向发生了改变则认为进入了状态过程. 数据过程中的第一个数据包必须是DATA1，然后 每次正确传输一个数据包后就在DATA0和DATA1之间交替；

            3.状态过程: 状态过程只使用DATA1包，并且传输方向与数据方向相反。

2 USB1.1 示例
    此Demo只展示创建一个简单的 USB 设备模块，该模块能够响应主机的请求，并发送和接收数据；实现最基本的控制传输功能。

module usb_device (
input wire clk, // 时钟信号
input wire reset_n, // 复位信号，低电平有效
input wire usb_dp, // USB D+ 信号
input wire usb_dm, // USB D- 信号
output reg usb_dp_out, // USB D+ 输出
output reg usb_dm_out, // USB D- 输出
output reg [7:0] data_out, // 发送到主机的数据
input wire [7:0] data_in, // 从主机接收的数据
output reg data_valid, // 数据有效信号
output reg data_ready // 数据准备好信号
);

// 内部状态机状态
typedef enum logic [2:0] {
IDLE,
SYNC,
TOKEN,
DATA,
HANDSHAKE
} state_t;

state_t state, next_state;

// 内部寄存器
reg [7:0] token_reg;
reg [7:0] data_reg;
reg [7:0] handshake_reg;

// 组合逻辑部分
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
// 接收数据
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
// 发送数据
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
// 发送握手包
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

// 时序逻辑部分
always_ff @(posedge clk or negedge reset_n) begin
if (!reset_n) begin
state <= IDLE;
end else begin
state <= next_state;
end
end

endmodule