一文詳解USB通信協(xié)議技術(shù)

1. 基本概念

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(shù)據(jù)在【主機(jī)軟件】與【USB設(shè)備特定的端點(diǎn)】間被傳輸?！局鳈C(jī)軟件】與【USB設(shè)備特定的端點(diǎn)】間的關(guān)聯(lián)叫做【pipes】。一個(gè)USB設(shè)備可以有多個(gè)管道(pipes)。

2. 包(Packet)

包（Packet）是 USB 系統(tǒng)中信息傳輸?shù)幕締卧袛?shù)據(jù)都是經(jīng)過(guò)打包后在總線上傳輸?shù)?。?shù)據(jù)在 USB總線上的傳輸以包為單位，包只能在幀內(nèi)傳輸。高速 USB 總線的幀周期為125us，全速以及低速 USB 總線的幀周期為 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(shù)據(jù)傳輸。

注意：雖然高速 USB 總線和全速/低速USB 總線的幀周期不一樣，但是SOF包中幀編號(hào)的增加速度是一樣的，因?yàn)樵诟咚賃SB系統(tǒng)中，SOF包中幀編號(hào)實(shí)際上取得是計(jì)數(shù)器的高11位，最低三位作為微幀編號(hào)沒(méi)有使用，因此其幀編號(hào)的增加周期也為 1ms。

USB總線上的情形是怎樣的？

包是 USB 總線上數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖钚挝?，不能被打斷或干擾，否則會(huì)引發(fā)錯(cuò)誤。若干個(gè)數(shù)據(jù)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?shù)膸讉€(gè)包必須連續(xù)，不能跨幀完成。一次傳輸由一次到多次事務(wù)傳輸構(gòu)成，可以跨幀完成。

USB包由五部分組成，即同步字段（SYNC）、包標(biāo)識(shí)符字段（PID）、數(shù)據(jù)字段、循環(huán)冗余校驗(yàn)字段（CRC）和包結(jié)尾字段（EOP）；包的基本格式如下圖：

2.1 PID類型(即包類型)

2.2 Token Packets

此格式適用于 IN、OUT、SETUP、PING。 PID 數(shù)據(jù)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(duì)于full-speed總線，每隔1.00 ms ±0.0005 ms發(fā)送一次；

對(duì)于high-speed總線，每隔125 μs ±0.0625 μs發(fā)送一次；

SOF包構(gòu)成如下圖所示

2.4 Data Packets

有四種類類型的數(shù)據(jù)包：DATA0, DATA1, DATA2,and MDATA，且由PID來(lái)區(qū)分。 DATA0和DATA1被定義為支持?jǐn)?shù)據(jù)切換同步(data toggle synchronization)。

2.5 Handshake Packets

ACK: 對(duì)于 IN 事務(wù)，它將由host發(fā)出；對(duì)于 OUT、SETUP 和 PING 事務(wù)，它將由device發(fā)出。 NAK: 在數(shù)據(jù)階段，對(duì)于IN事務(wù)，它將由device發(fā)出；在握手階段，對(duì)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)(Transaction)

在USB上數(shù)據(jù)信息的一次接收或發(fā)送的處理過(guò)程稱為事務(wù)處理（Transaction）即：The delivery of service to an endpoint。一個(gè)事務(wù)由一系統(tǒng)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：

一個(gè)token packet

可選的data pcket

可選的handshake packet

可選的special packet

3.1 輸入（IN）事務(wù)處理

輸入事務(wù)處理：表示 USB 主機(jī)從總線上的某個(gè)USB設(shè)備接收一個(gè)數(shù)據(jù)包的過(guò)程。【正常】的輸入事務(wù)處理

【設(shè)備忙】時(shí)的輸入事務(wù)處理

【設(shè)備出錯(cuò)】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(jī)把一個(gè)數(shù)據(jù)包輸出到總線上的某個(gè)USB設(shè)備接收的過(guò)程。【正?！康妮敵鍪聞?wù)處理

【設(shè)備忙時(shí)】的輸出事務(wù)處理

【設(shè)備出錯(cuò)】的輸出事務(wù)處理

3.3 設(shè)置（SETUP）事務(wù)處理

【正?！康脑O(shè)置事務(wù)處理

【設(shè)備忙時(shí)】的設(shè)置事務(wù)處理

【設(shè)備出錯(cuò)】的設(shè)置事務(wù)處理

4.?USB傳輸類型

在USB的傳輸中，定義了4種傳輸類型：

控制傳輸 (Control Transfer)

中斷傳輸 (Interrupt Transfer)

批量傳輸 (Bulk Transfer)

同步傳輸 (Isochronous)

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(shù)據(jù)階段（無(wú)數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)階段）事務(wù)傳輸組成（Transaction）。控制數(shù)據(jù)由USB系統(tǒng)軟件用于配置設(shè)備(在枚舉時(shí))，其它的驅(qū)動(dòng)軟件可以選擇使用control transfer實(shí)現(xiàn)具體的功能，數(shù)據(jù)傳輸是不可丟失的。

4.1.1 建立階段

主機(jī)從 USB 設(shè)備獲取配置信息，并設(shè)置設(shè)備的配置值。建立階段的數(shù)據(jù)交換包含了SETUP令牌封包、緊隨其后的DATA0數(shù)據(jù)封包以及ACK握手封包。它的作用是執(zhí)行一個(gè)設(shè)置（概念含糊）的數(shù)據(jù)交換，并定義此控制傳輸?shù)膬?nèi)容(即：在Data Stage中IN或OUT的data包個(gè)數(shù)，及發(fā)送方向，在Setup Stage已經(jīng)被設(shè)定)。

4.1.2 數(shù)據(jù)階段

根據(jù)數(shù)據(jù)階段的數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆较?，控制傳輸又可分?種類型：

控制讀取（讀取USB描述符）

控制寫入（配置USB設(shè)備）

無(wú)數(shù)據(jù)控制

數(shù)據(jù)傳輸階段：用來(lái)傳輸主機(jī)與設(shè)備之間的數(shù)據(jù)。

控制讀取

是將數(shù)據(jù)從設(shè)備讀到主機(jī)上，讀取的數(shù)據(jù)USB設(shè)備描述符。該過(guò)程如下圖的【Control Read】所示。對(duì)每一個(gè)數(shù)據(jù)信息包而言，首先，主機(jī)會(huì)發(fā)送一個(gè)IN令牌信息包，表示要讀數(shù)據(jù)進(jìn)來(lái)。然后，設(shè)備將數(shù)據(jù)通過(guò)DATA1/DATA0數(shù)據(jù)信息包回傳給主機(jī)。最后，主機(jī)將以下列的方式加以響應(yīng)：當(dāng)數(shù)據(jù)已經(jīng)正確接收時(shí)，主機(jī)送出ACK令牌信息包；當(dāng)主機(jī)正在忙碌時(shí)，發(fā)出NAK握手信息包；當(dāng)發(fā)生了錯(cuò)誤時(shí)，主機(jī)發(fā)出STALL握手信息包。

控制寫入

是將數(shù)據(jù)從主機(jī)傳到設(shè)備上，所傳的數(shù)據(jù)即為對(duì)USB設(shè)備的配置信息，該過(guò)程如下的圖【Control Wirte】所示。對(duì)每一個(gè)數(shù)據(jù)信息包而言，主機(jī)將會(huì)送出一個(gè)OUT令牌信息包，表示數(shù)據(jù)要送出去。緊接著，主機(jī)將數(shù)據(jù)通過(guò)DATA1/DATA0數(shù)據(jù)信息包傳遞至設(shè)備。

最后，設(shè)備將以下列方式加以響應(yīng)：當(dāng)數(shù)據(jù)已經(jīng)正確接收時(shí)，設(shè)備送出ACK令牌信息包；當(dāng)設(shè)備正在忙碌時(shí)，設(shè)備發(fā)出NAK握手信息包；當(dāng)發(fā)生了錯(cuò)誤時(shí)，設(shè)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?shù)倪^(guò)程已完全結(jié)束。狀態(tài)階段傳輸?shù)姆较虮仨毰c數(shù)據(jù)階段的方向相反，即原來(lái)是IN令牌封包，這個(gè)階段應(yīng)為OUT令牌封包；反之，原來(lái)是OUT令牌封包，這個(gè)階段應(yīng)為IN令牌封包。對(duì)于【控制讀取】而言，主機(jī)會(huì)送出OUT令牌封包，其后再跟著0長(zhǎng)度的DATA1封包。而此時(shí)，設(shè)備也會(huì)做出相對(duì)應(yīng)的動(dòng)作，送ACK握手封包、NAK握手封包或STALL握手封包。相對(duì)地對(duì)于【控制寫入】傳輸，主機(jī)會(huì)送出IN令牌封包，然后設(shè)備送出表示完成狀態(tài)階段的0長(zhǎng)度的DATA1封包，主機(jī)再做出相對(duì)應(yīng)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(shù)據(jù)，要求傳輸不能出錯(cuò)，但對(duì)時(shí)間沒(méi)有要求，適用于打印機(jī)、存儲(chǔ)設(shè)備等。批量傳輸是可靠的傳輸，需要握手包來(lái)表明傳輸?shù)慕Y(jié)果。若數(shù)據(jù)量比較大，將采用多次批量事務(wù)傳輸來(lái)完成全部數(shù)據(jù)的傳輸，傳輸過(guò)程中數(shù)據(jù)包的PID 按照 DATA0-DATA1-DATA0-… 的方式翻轉(zhuǎn)，以保證發(fā)送端和接收端的同步。 USB 允許連續(xù) 3次以下的傳輸錯(cuò)誤，會(huì)重試該傳輸，若成功則將錯(cuò)誤次數(shù)計(jì)數(shù)器清零，否則累加該計(jì)數(shù)器。超過(guò)三次后，HOST 認(rèn)為該端點(diǎn)功能錯(cuò)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(zhuǎn)同步：發(fā)送端按照 DATA0-DATA1-DATA0-…的順序發(fā)送數(shù)據(jù)包，只有成功的事務(wù)傳輸才會(huì)導(dǎo)致 PID 翻轉(zhuǎn)，也就是說(shuō)發(fā)送端只有在接收到 ACK 后才會(huì)翻轉(zhuǎn) PID，發(fā)送下一個(gè)數(shù)據(jù)包，否則會(huì)重試本次事務(wù)傳輸。同樣，若在接收端發(fā)現(xiàn)接收到到的數(shù)據(jù)包不是按照此順序翻轉(zhuǎn)的，比如連續(xù)收到兩個(gè) DATA0，那么接收端認(rèn)為第二個(gè) DATA0 是前一個(gè) DATA0 的重傳。它通過(guò)在硬件級(jí)執(zhí)行“錯(cuò)誤檢測(cè)”和“重傳”來(lái)確保host與device之間“準(zhǔn)確無(wú)誤”地傳輸數(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)

NAK: 指示設(shè)備暫時(shí)不能返回或接收數(shù)據(jù) (如：設(shè)備忙)

STALL:指示設(shè)備永遠(yuǎn)停止，需要host軟件的干預(yù) (如：設(shè)備出錯(cuò))

For OUT Token (即：OUT Transaction) 如果接收到的數(shù)據(jù)包有誤，如：CRC錯(cuò)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(shù)據(jù)包，且通知Host可以按順序發(fā)送下一個(gè)數(shù)據(jù)包

NAK: Device 已經(jīng)正確無(wú)誤地接收到數(shù)據(jù)包，且通知Host重傳數(shù)據(jù)，由于Device臨時(shí)狀況(如buffer滿)

STALL: 指示Device endpoint已經(jīng)停止，且通知Host不再重傳

Bulk讀寫序列

即由一系統(tǒng)IN事務(wù)或OUT事務(wù)組成。 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(qū)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(zhǎng)度不一樣、優(yōu)先級(jí)不一樣等這樣一些對(duì)用戶來(lái)說(shuō)透明的東西。主機(jī)在排定中斷傳輸任務(wù)時(shí)，會(huì)根據(jù)對(duì)應(yīng)中斷端點(diǎn)描述符中指定的查詢間隔發(fā)起中斷傳輸。中斷傳輸有較高的優(yōu)先級(jí)，僅次于同步傳輸。同樣中斷傳輸也采用PID翻轉(zhuǎn)的機(jī)制來(lái)保證收發(fā)端數(shù)據(jù)同步。下圖為中斷傳輸?shù)牧鞒虉D。中斷傳輸方式總是用于對(duì)設(shè)備的查詢，以確定是否有數(shù)據(jù)需要傳輸。因此中斷傳輸?shù)姆较蚩偸菑腢SB設(shè)備到主機(jī)。

DATA0 或 DATA1 中的包含的是中斷信息，而不是中斷數(shù)據(jù)。

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(zhuǎn)。主機(jī)在排定事務(wù)傳輸時(shí)，同步傳輸有最高的優(yōu)先級(jí)。

同步傳輸適用于必須以固定速率抵達(dá)或在指定時(shí)刻抵達(dá)，可以容忍偶爾錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)上。實(shí)時(shí)傳輸一般用于麥克風(fēng)、喇叭、UVC Camera等設(shè)備。實(shí)時(shí)傳輸只需令牌與數(shù)據(jù)兩個(gè)信息包階段，沒(méi)有握手包，故數(shù)據(jù)傳錯(cuò)時(shí)不會(huì)重傳。