USB通信協(xié)議入門(mén)
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1 基本概念
本文引用地址：http://dyxdggzs.com/article/202308/449517.htm一個(gè)【傳輸】(控制、批量、中斷、等時(shí))：由多個(gè)【事務(wù)】組成；
一個(gè)【事務(wù)】(IN、OUT、SETUP)：由一多個(gè)【Packet】組成。
USB數據在【主機軟件】與【USB設備特定的端點(diǎn)】間被傳輸?！局鳈C軟件】與【USB設備特定的端點(diǎn)】間的關(guān)聯(lián)叫做【pipes】。一個(gè)USB設備可以有多個(gè)管道(pipes)。
2 包（Packet）
包（Packet）是 USB 系統中信息傳輸的基本單元，所有數據都是經(jīng)過(guò)打包后在總線(xiàn)上傳輸的。數據在 USB總線(xiàn)上的傳輸以包為單位，包只能在幀內傳輸。
高速 USB 總線(xiàn)的幀周期為125us，全速以及低速 USB 總線(xiàn)的幀周期為 1ms。幀的起始由一個(gè)特定的包（SOF 包）表示，幀尾為 EOF。EOF不是一個(gè)包，而是一種電平狀態(tài)，EOF期間不允許有數據傳輸。
注意：雖然高速 USB 總線(xiàn)和 全速/低速USB 總線(xiàn)的幀周期不一樣，但是SOF包中幀編號的增加速度是一樣的，因為在高速USB系統中，SOF包中幀編號實(shí)際上取得是計數器的高11位，最低三位作為微幀編號沒(méi)有使用，因此其幀編號的增加周期也為 1ms。
USB總線(xiàn)上的情形是怎樣的？
包是 USB 總線(xiàn)上數據傳輸的最小單位，不能被打斷或干擾，否則會(huì )引發(fā)錯誤。若干個(gè)數據包組成一次事務(wù)傳輸，一次事務(wù)傳輸也不能打斷，屬于一次事務(wù)傳輸的幾個(gè)包必須連續，不能跨幀完成。一次傳輸由一次到多次事務(wù)傳輸構成，可以跨幀完成。
USB包由五部分組成，即同步字段（SYNC）、包標識符字段（PID）、數據字段、循環(huán)冗余校驗字段（CRC）和包結尾字段（EOP）；包的基本格式如下圖：
2.1? PID類(lèi)型（即包類(lèi)型）
2.2 ? Token Packets
此格式適用于 IN、OUT、SETUP、PING。
PID 數據傳輸方向：
IN Device->Host
OUT Host->Device
SETUP Host->Device
PING Device->Host
2.3 ? Start-of-Frame（SOF）Packets
SOF包由Host發(fā)送給Device。
對于full-speed總線(xiàn)，每隔1.00 ms ±0.0005 ms發(fā)送一次；
對于high-speed總線(xiàn)，每隔125 μs ±0.0625 μs發(fā)送一次；
SOF包構成如下圖所示
2.4 ? Data Packets
有四種類(lèi)類(lèi)型的數據包：DATA0, DATA1, DATA2,and MDATA，且由PID來(lái)區分。
DATA0和DATA1被定義為支持數據切換同步(data toggle synchronization)。
2.5 ? Handshake Packets
ACK: 對于 IN 事務(wù)，它將由host發(fā)出；對于 OUT、SETUP 和 PING 事務(wù)，它將由device發(fā)出
NAK: 在數據階段，對于IN事務(wù)，它將由device發(fā)出；在握手階段，對于OUT和PING事務(wù)，它也將由device發(fā)出；host從不發(fā)送NAK包。
3 事務(wù)處理（Transaction）
在USB上數據信息的一次接收或發(fā)送的處理過(guò)程稱(chēng)為事務(wù)處理（Transaction）即：The delivery of service to an endpoint。一個(gè)事務(wù)由一系統packet組成，具體由哪些packet組成，它取決于具體的事務(wù)?？赡苡扇缦掳M成：
3.1 ? 輸入（IN）事務(wù)處理
輸入事務(wù)處理：表示 USB 主機從總線(xiàn)上的某個(gè)USB設備接收一個(gè)數據包的過(guò)程。
【正?！康妮斎胧聞?wù)處理
【設備忙】時(shí)的輸入事務(wù)處理
【設備出錯】時(shí)的輸入事務(wù)處理
3.2 ? 輸出（OUT）事務(wù)處理
輸出事務(wù)處理：表示USB主機把一個(gè)數據包輸出到總線(xiàn)上的某個(gè)USB設備接收的過(guò)程。
【正?！康妮敵鍪聞?wù)處理
【設備忙時(shí)】的輸出事務(wù)處理
【設備出錯】的輸出事務(wù)處理
3.3 ? 設置（SETUP）事務(wù)處理
【正?！康脑O置事務(wù)處理
【設備忙時(shí)】的設置事務(wù)處理
【設備出錯】的設置事務(wù)處理
4 USB傳輸類(lèi)型
在USB的傳輸中，定義了4種傳輸類(lèi)型：
4.1 ? 控制傳輸（Control Transfer）
控制傳輸由 2～3 個(gè)階段組成：
建立階段(Setup)
數據階段（無(wú)數據控制沒(méi)有此階段）(DATA)
狀態(tài)階段(Status)
每個(gè)階段都由一次或多次（數據階段）事務(wù)傳輸組成（Transaction）。
控制數據由USB系統軟件用于配置設備(在枚舉時(shí))，其它的驅動(dòng)軟件可以選擇使用control transfer實(shí)現具體的功能，數據傳輸是不可丟失的。
4.1.1 建立階段
主機從 USB 設備獲取配置信息，并設置設備的配置值。建立階段的數據交換包含了SETUP令牌封包、緊隨其后的DATA0數據封包以及ACK握手封包。
它的作用是執行一個(gè)設置（概念含糊）的數據交換，并定義此控制傳輸的內容(即：在Data Stage中IN或OUT的data包個(gè)數，及發(fā)送方向，在Setup Stage已經(jīng)被設定)。
4.1.2 數據階段
根據數據階段的數據傳輸的方向，控制傳輸又可分為3種類(lèi)型：
控制讀?。ㄗx取USB描述符）
控制寫(xiě)入（配置USB設備）
無(wú)數據控制
數據傳輸階段：用來(lái)傳輸主機與設備之間的數據。
控制讀取
是將數據從設備讀到主機上，讀取的數據USB設備描述符。該過(guò)程如下圖的【Control Read】所示。對每一個(gè)數據信息包而言，首先，主機會(huì )發(fā)送一個(gè)IN令牌信息包，表示要讀數據進(jìn)來(lái)。
然后，設備將數據通過(guò)DATA1/DATA0數據信息包回傳給主機。最后，主機將以下列的方式加以響應：當數據已經(jīng)正確接收時(shí)，主機送出ACK令牌信息包；當主機正在忙碌時(shí)，發(fā)出NAK握手信息包；當發(fā)生了錯誤時(shí)，主機發(fā)出STALL握手信息包。
控制寫(xiě)入
是將數據從主機傳到設備上，所傳的數據即為對USB設備的配置信息，該過(guò)程如下的圖【Control Wirte】所示。對每一個(gè)數據信息包而言，主機將會(huì )送出一個(gè)OUT令牌信息包，表示數據要送出去。緊接著(zhù)，主機將數據通過(guò)DATA1/DATA0數據信息包傳遞至設備。
最后，設備將以下列方式加以響應：當數據已經(jīng)正確接收時(shí)，設備送出ACK令牌信息包；當設備正在忙碌時(shí)，設備發(fā)出NAK握手信息包；當發(fā)生了錯誤時(shí)，設備發(fā)出STALL握手信息包。
4.1.3 狀態(tài)階段
狀態(tài)階段：用來(lái)表示整個(gè)傳輸的過(guò)程已完全結束。
狀態(tài)階段傳輸的方向必須與數據階段的方向相反，即原來(lái)是IN令牌封包，這個(gè)階段應為OUT令牌封包；反之，原來(lái)是OUT令牌封包，這個(gè)階段應為IN令牌封包。
對于【控制讀取】而言，主機會(huì )送出OUT令牌封包，其后再跟著(zhù)0長(cháng)度的DATA1封包。而此時(shí)，設備也會(huì )做出相對應的動(dòng)作，送ACK握手封包、NAK握手封包或STALL握手封包。
相對地對于【控制寫(xiě)入】傳輸，主機會(huì )送出IN令牌封包，然后設備送出表示完成狀態(tài)階段的0長(cháng)度的DATA1封包，主機再做出相對應的動(dòng)作：送ACK握手封包、NAK握手封包或STALL握手封包。
4.2 ? 批量傳輸（Bulk Transfer）
用于傳輸大量數據，要求傳輸不能出錯，但對時(shí)間沒(méi)有要求，適用于打印機、存儲設備等。
批量傳輸是可靠的傳輸，需要握手包來(lái)表明傳輸的結果。若數據量比較大，將采用多次批量事務(wù)傳輸來(lái)完成全部數據的傳輸，傳輸過(guò)程中數據包的PID 按照 DATA0-DATA1-DATA0-… 的方式翻轉，以保證發(fā)送端和接收端的同步。
USB 允許連續 3次以下的傳輸錯誤，會(huì )重試該傳輸，若成功則將錯誤次數計數器清零，否則累加該計數器。超過(guò)三次后，HOST 認為該端點(diǎn)功能錯誤（STALL），放棄該端點(diǎn)的傳輸任務(wù)。
一次批量傳輸（Transfer）由 1 次到多次批量事務(wù)傳輸（Transaction）組成。
翻轉同步：發(fā)送端按照 DATA0-DATA1-DATA0-…的順序發(fā)送數據包，只有成功的事務(wù)傳輸才會(huì )導致 PID 翻轉，也就是說(shuō)發(fā)送端只有在接收到 ACK 后才會(huì )翻轉 PID，發(fā)送下一個(gè)數據包，否則會(huì )重試本次事務(wù)傳輸。同樣，若在接收端發(fā)現接收到到的數據包不是按照此順序翻轉的，比如連續收到兩個(gè) DATA0，那么接收端認為第二個(gè) DATA0 是前一個(gè) DATA0 的重傳。
它通過(guò)在硬件級執行“錯誤檢測”和“重傳”來(lái)確保host與device之間“準確無(wú)誤”地傳輸數據，即可靠傳輸。它由三種包組成(即IN事務(wù)或OUT事務(wù))：
token
data
handshake
For IN Token (即：IN Transaction)
ACK: 表示host正確無(wú)誤地接收到數據
NAK: 指示設備暫時(shí)不能返回或接收數據 (如：設備忙)
STALL:指示設備永遠停止，需要host軟件的干預 (如：設備出錯)
For OUT Token (即：OUT Transaction)
如果接收到的數據包有誤，如：CRC錯誤，Device不發(fā)送任何handshake包
ACK: Device已經(jīng)正確無(wú)誤地接收到數據包，且通知Host可以按順序發(fā)送下一個(gè)數據包
NAK: Device 已經(jīng)正確無(wú)誤地接收到數據包，且通知Host重傳數據，由于Device臨時(shí)狀況(如buffer滿(mǎn))
STALL: 指示Device endpoint已經(jīng)停止，且通知Host不再重傳
Bulk讀寫(xiě)序列
4.3 ? 中斷傳輸（Interrupt Transfer）
中斷傳輸由 IN 或 OUT 事務(wù)組成。
中斷傳輸在流程上除不支持PING 之外，其他的跟批量傳輸是一樣的。他們之間的區別也僅在于事務(wù)傳輸發(fā)生的端點(diǎn)不一樣、支持的最大包長(cháng)度不一樣、優(yōu)先級不一樣等這樣一些對用戶(hù)來(lái)說(shuō)透明的東西。
主機在排定中斷傳輸任務(wù)時(shí)，會(huì )根據對應中斷端點(diǎn)描述符中指定的查詢(xún)間隔發(fā)起中斷傳輸。中斷傳輸有較高的優(yōu)先級，僅次于同步傳輸。
同樣中斷傳輸也采用PID翻轉的機制來(lái)保證收發(fā)端數據同步。下圖為中斷傳輸的流程圖。
中斷傳輸方式總是用于對設備的查詢(xún)，以確定是否有數據需要傳輸。因此中斷傳輸的方向總是從USB設備到主機。
或 DATA1 中的包含的是中斷信息，而不是中斷數據。
4.4 ? 同步傳輸（Isochronous Transfer）
它由兩種包組成：
token
data
同步傳輸不支持“handshake”和“重傳能力”，所以它是不可靠傳輸。
同步傳輸是不可靠的傳輸，所以它沒(méi)有握手包，也不支持PID翻轉。主機在排定事務(wù)傳輸時(shí)，同步傳輸有最高的優(yōu)先級。
同步傳輸適用于必須以固定速率抵達或在指定時(shí)刻抵達，可以容忍偶爾錯誤的數據上。實(shí)時(shí)傳輸一般用于麥 克風(fēng)、喇叭、UVC Camera等設備。實(shí)時(shí)傳輸只需令牌與數據兩個(gè)信息包階段，沒(méi)有握手包，故數據傳錯時(shí)不會(huì )重傳。
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