USB 通信協議深入理解

0. 基本概念

一個【傳輸】(控制、批量、中斷、等時)：由多個【事務】組成；

一個【事務】(IN、OUT、SETUP)：由一多個【Packet】組成。

USB 數據在【主機軟件】與【USB 設備特定的端點】間被傳輸。【主機軟件】與【USB 設備特定的端點】間的關聯叫做【pipes】。一個 USB 設備可以有多個管道 (pipes)。

1. 包 (Packet)

包（Packet）是 USB 系統中信息傳輸的基本單元，所有數據都是經過打包後在總線上傳輸的。數據在 USB 總線上的傳輸以包爲單位，包只能在幀內傳輸。高速 USB 總線的幀週期爲 125us，全速以及低速 USB 總線的幀週期爲 1ms。幀的起始由一個特定的包（SOF 包）表示，幀尾爲 EOF。EOF 不是一個包，而是一種電平狀態，EOF 期間不允許有數據傳輸。

注意：雖然高速 USB 總線和全速 / 低速 USB 總線的幀週期不一樣，但是 SOF 包中幀編號的增加速度是一樣的，因爲在高速 USB 系統中，SOF 包中幀編號實際上取得是計數器的高 11 位，最低三位作爲微幀編號沒有使用，因此其幀編號的增加週期也爲 1mS

包是 USB 總線上數據傳輸的最小單位，不能被打斷或干擾，否則會引發錯誤。若干個數據包組成一次事務傳輸，一次事務傳輸也不能打斷，屬於一次事務傳輸的幾個包必須連續，不能跨幀完成。一次傳輸由一次到多次事務傳輸構成，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、循環冗餘校驗字段（CRC）和包結尾字段（EOP），包的基本格式如下圖：

1.1 PID 類型 (即包類型)

1.2 Token Packets

此格式適用於 IN、OUT、SETUP、PING。

PID 數據傳輸方向

IN Device->Host

OUT Host->Device

SETUP Host->Device

PING Device->Host

1.3 Start-of-Frame(SOF) Packets

SOF 包由 Host 發送給 Device。

  1. 對於 full-speed 總線，每隔 1.00 ms ±0.0005 ms 發送一次；

  2. 對於 high-speed 總線，每隔 125 μs ±0.0625 μs 發送一次；

SOF 包構成如下圖所示

1.4 Data Packets

有四種類類型的數據包：DATA0, DATA1, DATA2,and MDATA，且由 PID 來區分。DATA0 和 DATA1 被定義爲支持數據切換同步 (data toggle synchronization)。

1.5 Handshake Packets

2. 事務 (Transaction)

在 USB 上數據信息的一次接收或發送的處理過程稱爲事務處理（Transaction）即：The delivery of service to an endpoint。一個事務由一系統 packet 組成，具體由哪些 packet 組成，它取決於具體的事務。可能由如下包組成：

2.1 輸入（IN）事務處理

輸入事務處理：表示 USB 主機從總線上的某個 USB 設備接收一個數據包的過程。

2.2. 輸出（OUT）事務處理

輸出事務處理：表示 USB 主機把一個數據包輸出到總線上的某個 USB 設備接收的過程。

2.3 設置（SETUP）事務處理

3. USB 傳輸類型

在 USB 的傳輸中，定義了 4 種傳輸類型：

3.1 控制傳輸 (Control Transfer)

控制傳輸由 2～3 個階段組成：

  1. 建立階段 (Setup)

  2. 數據階段（無數據控制沒有此階段）(DATA)

  3. 狀態階段 (Status)

每個階段都由一次或多次（數據階段）事務傳輸組成（Transaction）。

控制數據由 USB 系統軟件用於配置設備 (在枚舉時)，其它的驅動軟件可以選擇使用 control transfer 實現具體的功能，數據傳輸是不可丟失的。

3.1.1 建立階段

主機從 USB 設備獲取配置信息，並設置設備的配置值。建立階段的數據交換包含了 SETUP 令牌封包、緊隨其後的 DATA0 數據封包以及 ACK 握手封包。它的作用是執行一個設置（概念含糊）的數據交換，並定義此控制傳輸的內容 (即：在 Data Stage 中 IN 或 OUT 的 data 包個數，及發送方向，在 Setup Stage 已經被設定)。

3.1.2 數據階段

根據數據階段的數據傳輸的方向，控制傳輸又可分爲 3 種類型：

  1. 控制讀取（讀取 USB 描述符）

  2. 控制寫入（配置 USB 設備）

  3. 無數據控制

數據傳輸階段：用來傳輸主機與設備之間的數據。

是將數據從設備讀到主機上，讀取的數據 USB 設備描述符。該過程如下圖的【Control Read】所示。對每一個數據信息包而言，首先，主機會發送一個 IN 令牌信息包，表示要讀數據進來。然後，設備將數據通過 DATA1/DATA0 數據信息包回傳給主機。最後，主機將以下列的方式加以響應：當數據已經正確接收時，主機送出 ACK 令牌信息包；當主機正在忙碌時，發出 NAK 握手信息包；當發生了錯誤時，主機發出 STALL 握手信息包。

是將數據從主機傳到設備上，所傳的數據即爲對 USB 設備的配置信息，該過程如下的圖【Control Wirte】所示。對每一個數據信息包而言，主機將會送出一個 OUT 令牌信息包，表示數據要送出去。緊接着，主機將數據通過 DATA1/DATA0 數據信息包傳遞至設備。最後，設備將以下列方式加以響應：當數據已經正確接收時，設備送出 ACK 令牌信息包；當設備正在忙碌時，設備發出 NAK 握手信息包；當發生了錯誤時，設備發出 STALL 握手信息包。

3.1.3 狀態階段

狀態階段：用來表示整個傳輸的過程已完全結束。

狀態階段傳輸的方向必須與數據階段的方向相反，即原來是 IN 令牌封包，這個階段應爲 OUT 令牌封包；反之，原來是 OUT 令牌封包，這個階段應爲 IN 令牌封包。

對於【控制讀取】而言，主機會送出 OUT 令牌封包，其後再跟着 0 長度的 DATA1 封包。而此時，設備也會做出相對應的動作，送 ACK 握手封包、NAK 握手封包或 STALL 握手封包。

相對地對於【控制寫入】傳輸，主機會送出 IN 令牌封包，然後設備送出表示完成狀態階段的 0 長度的 DATA1 封包，主機再做出相對應的動作：送 ACK 握手封包、NAK 握手封包或 STALL 握手封包。

3.2 批量傳輸 (Bulk Transfer)

用於傳輸大量數據，要求傳輸不能出錯，但對時間沒有要求，適用於打印機、存儲設備等。

批量傳輸是可靠的傳輸，需要握手包來表明傳輸的結果。若數據量比較大，將採用多次批量事務傳輸來完成全部數據的傳輸，傳輸過程中數據包的 PID 按照 DATA0-DATA1-DATA0-… 的方式翻轉，以保證發送端和接收端的同步。

USB 允許連續 3 次以下的傳輸錯誤，會重試該傳輸，若成功則將錯誤次數計數器清零，否則累加該計數器。超過三次後，HOST 認爲該端點功能錯誤（STALL），放棄該端點的傳輸任務。

一次批量傳輸（Transfer）由 1 次到多次批量事務傳輸（Transaction）組成。

翻轉同步：發送端按照 DATA0-DATA1-DATA0-… 的順序發送數據包，只有成功的事務傳輸纔會導致 PID 翻轉，也就是說發送端只有在接收到 ACK 後纔會翻轉 PID，發送下一個數據包，否則會重試本次事務傳輸。同樣，若在接收端發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 DATA0，那麼接收端認爲第二個 DATA0 是前一個 DATA0 的重傳。

它通過在硬件級執行 “錯誤檢測” 和“重傳”來確保 host 與 device 之間 “準確無誤” 地傳輸數據，即可靠傳輸。它由三種包組成(即 IN 事務或 OUT 事務)：

  1. token

  2. data

  3. handshake

  1. For IN Token (即：IN Transaction)
  1. For OUT Token (即：OUT Transaction)

如果接收到的數據包有誤，如：CRC 錯誤，Device 不發送任何 handshake 包

  1. Bulk 讀寫序列

即由一系統 IN 事務或 OUT 事務組成。

3.3 中斷傳輸 (Interrupt Transfer)

中斷傳輸由 IN 或 OUT 事務組成。

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於事務傳輸發生的端點不一樣、支持的最大包長度不一樣、優先級不一樣等這樣一些對用戶來說透明的東西。

主機在排定中斷傳輸任務時，會根據對應中斷端點描述符中指定的查詢間隔發起中斷傳輸。中斷傳輸有較高的優先級，僅次於同步傳輸。

同樣中斷傳輸也採用 PID 翻轉的機制來保證收發端數據同步。下圖爲中斷傳輸的流程圖。

中斷傳輸方式總是用於對設備的查詢，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。

DATA0 或 DATA1 中的包含的是中斷信息，而不是中斷數據。

3.4 同步傳輸 (Isochronous Transfer)

  1. 它由兩種包組成：

  2. token

  3. 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，同步傳輸有最高的優先級。

同步傳輸適用於必須以固定速率抵達或在指定時刻抵達，可以容忍偶爾錯誤的數據上。實時傳輸一般用於麥 克風、喇叭、UVC Camera 等設備。實時傳輸只需令牌與數據兩個信息包階段，沒有握手包，故數據傳錯時不會重傳。

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