一文詳解USB通信協(xié)議技術

1. 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(shù)據(jù)在【主機軟件】與【USB設備特定的端點】間被傳輸?！局鳈C軟件】與【USB設備特定的端點】間的關聯(lián)叫做【pipes】。一個USB設備可以有多個管道(pipes)。

2. 包(Packet)

包（Packet）是 USB 系統(tǒng)中信息傳輸?shù)幕締卧?，所有?shù)據(jù)都是經(jīng)過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。幀的起始由一個特定的包（SOF 包）表示，幀尾為 EOF。EOF不是一個包，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包中幀編號的增加速度是一樣的，因為在高速USB系統(tǒng)中，SOF包中幀編號實際上取得是計數(shù)器的高11位，最低三位作為微幀編號沒有使用，因此其幀編號的增加周期也為 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，否則會引發(fā)錯誤。若干個數(shù)據(jù)包組成一次事務傳輸，一次事務傳輸也不能打斷，屬于一次事務傳輸?shù)膸讉€包必須連續(xù)，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(shù)據(jù)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。

對于full-speed總線，每隔1.00 ms ±0.0005 ms發(fā)送一次；

對于high-speed總線，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

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

2.5 Handshake Packets

ACK: 對于 IN 事務，它將由host發(fā)出；對于 OUT、SETUP 和 PING 事務，它將由device發(fā)出。 NAK: 在數(shù)據(jù)階段，對于IN事務，它將由device發(fā)出；在握手階段，對于OUT和PING事務，它也將由device發(fā)出；host從不發(fā)送NAK包。

3.?事務(Transaction)

在USB上數(shù)據(jù)信息的一次接收或發(fā)送的處理過程稱為事務處理（Transaction）即：The delivery of service to an endpoint。一個事務由一系統(tǒng)packet組成，具體由哪些packet組成，它取決于具體的事務。可能由如下包組成：

一個token packet

可選的data pcket

可選的handshake packet

可選的special packet

3.1 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(shù)據(jù)包的過程。【正?！康妮斎胧聞仗幚?/p>

【設備忙】時的輸入事務處理

【設備出錯】時的輸入事務處理

3.2. 輸出（OUT）事務處理

輸出事務處理：表示USB主機把一個數(shù)據(jù)包輸出到總線上的某個USB設備接收的過程。【正?！康妮敵鍪聞仗幚?/p>

【設備忙時】的輸出事務處理

【設備出錯】的輸出事務處理

3.3 設置（SETUP）事務處理

【正?！康脑O置事務處理

【設備忙時】的設置事務處理

【設備出錯】的設置事務處理

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 個階段組成：

建立階段(Setup)

數(shù)據(jù)階段（無數(shù)據(jù)控制沒有此階段）(DATA)

狀態(tài)階段(Status)

每個階段都由一次或多次（數(shù)據(jù)階段）事務傳輸組成（Transaction）。控制數(shù)據(jù)由USB系統(tǒng)軟件用于配置設備(在枚舉時)，其它的驅動軟件可以選擇使用control transfer實現(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(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)行一個設置（概念含糊）的數(shù)據(jù)交換，并定義此控制傳輸?shù)膬热?即：在Data Stage中IN或OUT的data包個數(shù)，及發(fā)送方向，在Setup Stage已經(jīng)被設定)。

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設備）

無數(shù)據(jù)控制

數(shù)據(jù)傳輸階段：用來傳輸主機與設備之間的數(shù)據(jù)。

控制讀取

是將數(shù)據(jù)從設備讀到主機上，讀取的數(shù)據(jù)USB設備描述符。該過程如下圖的【Control Read】所示。對每一個數(shù)據(jù)信息包而言，首先，主機會發(fā)送一個IN令牌信息包，表示要讀數(shù)據(jù)進來。然后，設備將數(shù)據(jù)通過DATA1/DATA0數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)已經(jīng)正確接收時，主機送出ACK令牌信息包；當主機正在忙碌時，發(fā)出NAK握手信息包；當發(fā)生了錯誤時，主機發(fā)出STALL握手信息包。

控制寫入

是將數(shù)據(jù)從主機傳到設備上，所傳的數(shù)據(jù)即為對USB設備的配置信息，該過程如下的圖【Control Wirte】所示。對每一個數(shù)據(jù)信息包而言，主機將會送出一個OUT令牌信息包，表示數(shù)據(jù)要送出去。緊接著，主機將數(shù)據(jù)通過DATA1/DATA0數(shù)據(jù)信息包傳遞至設備。

最后，設備將以下列方式加以響應：當數(shù)據(jù)已經(jīng)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(fā)出NAK握手信息包；當發(fā)生了錯誤時，設備發(fā)出STALL握手信息包。

4.1.3 狀態(tài)階段

狀態(tài)階段：用來表示整個傳輸?shù)倪^程已完全結束。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，即原來是IN令牌封包，這個階段應為OUT令牌封包；反之，原來是OUT令牌封包，這個階段應為IN令牌封包。對于【控制讀取】而言，主機會送出OUT令牌封包，其后再跟著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。相對地對于【控制寫入】傳輸，主機會送出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。

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，但對時間沒有要求，適用于打印機、存儲設備等。批量傳輸是可靠的傳輸，需要握手包來表明傳輸?shù)慕Y果。若數(shù)據(jù)量比較大，將采用多次批量事務傳輸來完成全部數(shù)據(jù)的傳輸，傳輸過程中數(shù)據(jù)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(xù) 3次以下的傳輸錯誤，會重試該傳輸，若成功則將錯誤次數(shù)計數(shù)器清零，否則累加該計數(shù)器。超過三次后，HOST 認為該端點功能錯誤（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(fā)送端按照 DATA0-DATA1-DATA0-…的順序發(fā)送數(shù)據(jù)包，只有成功的事務傳輸才會導致 PID 翻轉，也就是說發(fā)送端只有在接收到 ACK 后才會翻轉 PID，發(fā)送下一個數(shù)據(jù)包，否則會重試本次事務傳輸。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的，比如連續(xù)收到兩個 DATA0，那么接收端認為第二個 DATA0 是前一個 DATA0 的重傳。它通過在硬件級執(zhí)行“錯誤檢測”和“重傳”來確保host與device之間“準確無誤”地傳輸數(shù)據(jù)，即可靠傳輸。它由三種包組成(即IN事務或OUT事務)：

token

data

handshake

For IN Token (即：IN Transaction)

ACK: 表示host正確無誤地接收到數(shù)據(jù)

NAK: 指示設備暫時不能返回或接收數(shù)據(jù) (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(shù)據(jù)包有誤，如：CRC錯誤，Device不發(fā)送任何handshake包

ACK: Device已經(jīng)正確無誤地接收到數(shù)據(jù)包，且通知Host可以按順序發(fā)送下一個數(shù)據(jù)包

NAK: Device 已經(jīng)正確無誤地接收到數(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事務或OUT事務組成。 4.3 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(qū)別也僅在于事務傳輸發(fā)生的端點不一樣、支持的最大包長度不一樣、優(yōu)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(jù)對應中斷端點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，僅次于同步傳輸。同樣中斷傳輸也采用PID翻轉的機制來保證收發(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設備的查詢，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設備到主機。