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【主機軟體】與【USB設備特定的端點】間被傳輸。【主機軟體】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匯流排上傳輸的。數據在 USB匯流排上的傳輸以包為單位，包只能在幀內傳輸。高速USB 匯流排的幀周期為125us，全速以及低速 USB 匯流排的幀周期為 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，EOF期間不允許有數據傳輸。

註意：雖然高速USB匯流排和全速/低速USB匯流排的幀周期不一樣，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包中幀編號實際上取得是計數器的高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匯流排上的情形是怎樣的？

包是USB匯流排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。若幹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，即同步欄位（SYNC）、包標識符欄位（PID）、數據欄位、迴圈冗餘校驗欄位（CRC）和包結尾欄位（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匯流排，每隔1.00 ms ±0.0005 ms發送一次；

2) 對於high-speed匯流排，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被定義為支持數據切換同步(data toggle synchronization)。

1.5 Handshake Packets

• ACK: 對於IN事務，它將由host發出；對於OUT、SETUP和PING事務，它將由device發出。
• NAK: 在數據階段，對於IN事務，它將由device發出；在握手階段，對於OUT和PING事務，它也將由device發出；host從不發送NAK包。

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為事務處理（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：

• 一個token packet
• 可選的data pcket
• 可選的handshake packet
• 可選的special packet

2.1 輸入（IN）事務處理

輸入事務處理：表示USB主機從匯流排上的某個USB設備接收一個數據包的過程。

• 【正常】的輸入事務處理

• 【設備忙】時的輸入事務處理

• 【設備出錯】時的輸入事務處理

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匯流排上的某個USB設備接收的過程。

• 【正常】的輸出事務處理

• 【設備忙時】的輸出事務處理

• 【設備出錯】的輸出事務處理

2.3 設置（SETUP）事務處理

• 【正常】的設置事務處理

• 【設備忙時】的設置事務處理

• 【設備出錯】的設置事務處理

3. 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)

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系統軟體用於配置設備(在枚舉時)，其它的驅動軟體可以選擇使用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，控制傳輸又可分為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。

• 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。

• 控制寫入

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。緊接著，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。

對於【控制讀取】而言，主機會送出OUT令牌封包，其後再跟著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，適用於印表機、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：發送端按照 DATA0-DATA1-DATA0-…的順序發送數據包，只有成功的事務傳輸才會導致 PID 翻轉，也就是說發送端只有在接收到 ACK 後才會翻轉 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，那麼接收端認為第二個 DATA0 是前一個 DATA0 的重傳。

它通過在硬體級執行“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)

• ACK: 表示host正確無誤地接收到數據

• NAK: 指示設備暫時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軟體的干預 (如：設備出錯)

2) 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

• ACK: Device已經正確無誤地接收到數據包，且通知Host可以按順序發送下一個數據包
• NAK: Device 已經正確無誤地接收到數據包，且通知Host重傳數據，由於Device臨時狀況(如buffer滿)
• STALL: 指示Device endpoint已經停止，且通知Host不再重傳

3) 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、優先順序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順序，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髮端數據同步。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：

1) token

2) 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順序。

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。