USB 之一 USB2.0 规范详解第一部分

红太狼 2022-05-27 09:17 1452阅读 0赞

# 注意 #

*  对于物理特性仅做简单说明
 *  主要是针对 USB 2.0 规范的前八章。后续见 [第二部分][Link 1]

# 关于USB 2.0 #

在USB官方网站（ http://www.usb.org/ ）包含了我们必需的所有的USB协议规范。目前官网最新规范为USB 3.2。默认打开官网的 Document 菜单，显示的就是 USB 3.2 的相关规范文档，在 Document 菜单下有USB2.0相关规范。USB 2.0 的下载页面为http://www.usb.org/developers/docs/usb20\_docs/。  
![USB][]  
  其中 USB 规范定义了各种 USB Class，具体看见http://www.usb.org/developers/docs/devclass\_docs/。该页面下面就是每个类对应的文档。

# 简介 #

USB（Universal Serial Bus） 是一种支持热插拔的高速串行传输总线，它使用 **差分信号** 来传输数据。在 USB 1.0和 USB 1.1 版本中，只支持 1.5Mb/s 的低速（low-speed）模式和 12Mb/s 的全速（full-speed）模式，在 USB 2.0 中，又加入了480Mb/s 的高速模式，USB 3.0(super speed)，传输速率最大5Gbps。USB 2.0 被设计成为向下兼容的模式，当有全速（USB 1.1）或者低速（USB 1.0）设备连接到高速（USB 2.0）主机时，主机可以通过分离传输来支持它们。***一条USB 总线上，可达到的最高传输速度等级由该总线上最慢的“设备”决定。***

> 由于USB是主从模式的结构，设备与设备之间、主机与主机之间不能互连，为解决这个问题，扩大USB的应用范围，出现了USB规范的扩展部分USB OTG（ON The Go）。USB OTG 同一个设备，在不同的场合下可行在主机和从机之间切换。

以下部分主要根据 USB 2.0 规范的第四章，USB 体系包括 ***USB host（主机）*** 、***USB device(设备)*** 以及 ***物理连接(USB interconnect)*** 三个部分。其中，***设备(USB device)*** 又分为 ***USB function*** 和 ***USB Hub***。

*  ***USB host：*** 任何USB系统中只有一个主机。 主机系统的USB接口被称为主机控制器。 主机控制器可以以硬件，固件或软件的组合来实现。 根集线器集成在主机系统内以提供一个或多个连接点。
 *  ***USB device：*** 可以分为
    
     *  ***USB Hub：*** USB HUB提供了一种低成本、低复杂度的USB接口扩展方法。HUB的上行PORT面向HOST，下行PORT面向设备(HUB或功能设备)。在下行PORT上，HUB提供了设备连接检测和设备移除检测的能力，并给各下行PORT供电。HUB可以单独使能各下行PORT。不同PORT可以工作在不同的速度等级(高速/全速/低速)。

> （1）一个 USB HOST 最多可以同时支持128 个地址，地址0 作为默认地址，只在设备枚举期间临时使用，而不能被分配给任何一个设备，因此一个USB HOST 最多可以同时支持127 个地址，如果一个设备只占用一个地址，那么可最多支持127 个USB 设备。在实际的USB 体系中，如果要连接127 个USB设备，必须要使用USB HUB，而USB HUB 也是需要占用地址的，所以实际可支持的USB 功能设备的数量将小于127。  
> （2）ROOT HUB 是一个特殊的USB HUB，它集成在主机控制器里，不占用地址。ROOT HUB 不但实现了普通USB HUB 的功能，还包括其他一些功能。  
> （3）“复合设备（Compound Device）”可以占用多个地址。所谓复合设备其实就是把多个功能设备通过内置的USB HUB 组合而成的设备，比如带录音话筒的USB 摄像头等。

*  ***USB function：*** 能够通过总线传输或接收数据或控制信息的设备，在USB2.0标准中，别成为Class，规范中有详细的章节进行定义。主要有以下三类：
    
     *  A human interface device such as a mouse, keyboard, tablet, or game controller
     *  An imaging device such as a scanner, printer, or camera
     *  A mass storage device such as a CD-ROM drive, floppy drive, or DVD drive
 *  ***USB interconnect：*** USB设备连接到主机并与之通信的方式。主要由以下三部分：
    
     *  ***Bus Topology：*** USB上的设备通过分层的星形拓扑物理连接到主机，如下图所示。 USB连接点由称为集线器的特殊类别的USB设备提供。 集线器提供的附加连接点称为端口。 主机包括称为根集线器的嵌入式集线器。 主机通过根集线器提供一个或多个连接点。 为主机提供附加功能的USB设备称为功能。 为了防止循环附件，USB层的星形拓扑结构上采用了分层排序。USB设备和主机之间的连接模型

> ![Bus Topology][]  
> 以HOST-ROOT HUB为起点，最多支持7 层（Tier），也就是说任何一个  
> USB 系统中最多可以允许5个USB HUB 级联。一个复合设备（Compound Device）将同时占据两层或更多的层。

*  ***Inter-layer Relationships：*** 就功能堆栈而言，是系统中每层执行的USB任务。
 *  ***Data Flow Models：*** 数据在生产者和消费者之间通过USB在系统中移动的方式。

> ***管道（Pipe）是主机和设备端点之间数据传输的模型***，共有两种类型的管道：***无格式的流管道（Stream Pipe）*** 和 ***有格式的信息管道（Message Pipe）*** 。任何USB 设备一旦上电就存在一个信息管道，即默认的控制管道，USB 主机通过该管道来获取设备的描述、配置、状态，并对设备进行配置。

*  ***USB Schedule：*** USB 提供共享互连。 为了支持同步数据传输并消除仲裁开销，计划访问互连。

# USB电器特性 #

该部分主要针对USB 2.0规范的第六章和第七章。在USB 2.0系统中要求USB传输线使用**屏蔽双绞线**。USB 支持“总线供电”和“自供电”两种供电模式。在总线供电模式下，设备最多可以获得500mA 的电流。一条USB传输线分别由地线、电源线、D+ 和 D- 四条线构成，***D+ 和 D- 是差分输入线***。它使用的是 3.3V 的电压（与 CMOS 的 5V 电平不同），而电源线和地线可向设备提供 5V 电压，最大电流为 500mA (可以在编程中设置)。  
![USB Cable][]  
在 USB2.0 规范中，定义了以下一些电平信号：

*  差分信号1：D+>2.8V，D-<0.3V；
 *  差分信号0：D->2.8V，D+<0.3V。
 *  J 状态和 K 状态  
      低速下：D+ 为“0”，D- 为“1”是为“J”状态，“K”状态相反；  
      全速下：D+ 为“1”，D- 为“0”是为“J”状态，“K”状态相反；  
      高速同全速。
 *  SE0 状态：D+为“0”，D- 为“0”
 *  IDLE 状态  
      低速下空闲状态为“K”状态；  
      全速下空闲状态为“J”状态；  
      高速下空闲状态为“SE0”状态。

针对低速 / 全速模式，有以下几个重要信号：

*  **Reset 信号：** 主机在要和设备通信之前会发送Reset信号来把设备配置到默认的未配置状态。即 SE0 状态保持10ms。
 *  **Resume 信号：** 20ms 的 K 状态 + 低速 EOP

> （1）主机在挂起设备后可通过翻转数据线上的极性并保持20ms来唤醒设备，并以低速EOP信号结尾。  
> （2）带远程唤醒功能的设备还可自己发起该唤醒信号；前提是设备已进入idle状态至少5ms，然后发出唤醒K信号，维持1ms到15ms并由主机在1ms内接管来继续驱动唤醒信号  
> ![Resume][]

*  **Suspend 信号：** 3ms 以上的 J 状态
 *  **SOP 信号：** 从IDLE状态切换到 K 状态
 *  **EOP 信号：** 持续2位时间的SE0信号，后跟随1位时间的J状态

> ![SOP\_EOP][SOP_EOP]

*  **SYNC 信号：** 3个 K、J 状态切换，后跟随2位时间的 K 状态（看到的波形变化是总线上发送0000 0001经过 NRZI 编码后的波形）  
    ![SYNC][]

规范中给出的各信号电平如下图所示：  
![信号电平][70]  
规范中给出的DC 电气特性如下图所示：  
![DC 电气特性][DC]

# USB 通信协议 #

以下部分主要根据 USB 2.0 规范的第八章。数据在USB线里传送是由低位到高位发送的。USB采用 ***NRZI(非归零编码)*** 对发送的数据包进行编码。即：输入数据0，编码成“电平翻转”；输入数据1，编码成“电平不变”。  
  USB采用不归零取反来传输数据，当传输线上的差分数据输入0时就取反，输入1时就保持原值，为了确保信号发送的准确性，当在USB总线上发送一个包时，***传输设备就要进行位插入操作(即在数据流中每连续 6 个 1 后就插入一个0)*** ，从而强迫 NRZI 码发生变化。接收方解码 NRZI 码流，然后识别出填充位，并丢弃它们。这些是由专门硬件处理的。  
![NRZI][]

## USB 数据格式 ##

USB 数据是由二进制数字串构成的，首先 ***数字串组成域（有七种）*** ， ***域再组成包*** ， ***包再组成事务（IN、OUT、SETUP）*** ，***事务最后组成传输（中断传输、并行传输、批量传输和控制传输）*** 。下面介绍一下域、包和事务。  
  **USB协议规定了四种传输（transfer）类型：批量传输、同步传输、中断传输和控制传输**。其中，批量传输、同步传输和中断传输每传输一次数据都是一个事务，控制传输包括三个过程，建立过程和状态过程分别是一个事务，数据过程则可能包含多个事务。  
首先介绍几个关键字：

*  **SOF：** Start-of-(micro)Frame，***是一个特殊的包***，开始帧（SOF）数据包由主机以全速总线每1.00毫秒±0.0005毫秒和高速总线125微秒±0.0625微秒的标称速率发出。 SOF数据包由一个PID指示数据包类型，后面跟着一个11位帧数字段，如下图所示：  
    ![SOF][]  
      SOF令牌包括仅用于令牌的事务处理，其以对应于每个帧的开始的精确时间间隔来分配SOF标记和伴随帧号。 所有高速和全速功能（包括集线器）都会收到SOF数据包。 SOF令牌不会导致任何接收函数生成返回数据包; 因此，SOF交付给任何给定的功能不能得到保证。
 *  **EOF：** End-of-(micro)Frame，是一种电平状态
 *  **SOP：** Start-of-Packet，定义为从IDLE状态切换到K状态的电平变化
 *  **EOP：** End-of-Packet，定义为持续2位时间的 SE0 信号，后跟随1位时间的J状态的电平变化
 *  **端点(Endpoint)：** 位于USB设备或主机上的一个数据缓冲区，是USB设备中可以进行数据收发的最小单元，支持单向或者双向的数据传输，用来存放和发送USB的各种数据，每一个端点都有惟一的确定地址，有不同的传输特性(如输入端点、输出端点、配置端点、批量传输端点)。设备支持端点的数量是有限制的，除默认端点外低速设备最多支持2组端点(2 个输入，2 个输出)，高速和全速设备最多支持15组端点。按照USB协议栈的层次划分：  
      一个 Host 可能有一个或者多个 Device  
      一个 Device 可能有一个或者多个 Interface  
      一个 Interface 可能有一个或者多个 Endpoint
 *  **帧：** 时间概念，在USB中，高速USB 总线的帧周期为 125us，全速以及低速 USB 总线的帧周期为 1ms，它是一个独立的单元，包含了一系列总线动作，USB将1帧分为好几份，每一份是一个USB的传输动作。  
      帧的起始由一个特定的包（SOF 包）表示，帧尾为 EOF。EOF不是一个包，而是一种电平状态，EOF期间不允许有数据传输。 具体见上一节的信号电平。  
    ![Frame][]

> 注意：虽然高速USB总线和全速/低速USB总线的帧周期不一样，但是SOF包中帧编号的增加速度是一样的，因为在高速USB系统中，***SOF包中帧编号实际上取得是计数器的高11位，最低三位作为微帧编号没有使用***，因此其帧编号的增加周期也为 1mS。

### 域（Field） ###

域一个包被分为不同域，域是USB数据最小的单位，由若干位组成(多少位由具体的域决定)。根据不同类型的包，所包含的域是不一样的。但都要 ***以同步域SYNC开始*** ，***紧跟一个包标识符PID*** ，最终 ***以包结束符EOP*** 来结束这个包。  
![Packet][]

*  **同步域(SYNC)：** 所有的USB包都由SYNC开始，高速包的SYNC宽度为32bit，全速/低速包的SYNC段度为8bit。实际接收到的SYNC长度由于USB HUB的关系，可能会小于该值。八位的值固定为0000 0001，用于本地时钟与输入同步。
 *  **标识域(PID)：** PID是用来标识一个包的类型的。它共有8位，只使用4（PID0 ~ PID3），另外4位是PID0 ~ PID3的取反，用来校验PID。PID规定了四类包：**令牌包**、**数据包**、**握手包**和**特殊包**。同类的包又各分为具体的四种包。  
    ![PID][]

> 仅在帧首传输一次 SOF 包

*  **地址域(ADDR)：** 地址共占11位，其中低7位是设备地址，高4位是端点地址。  
    ![ADDR][]
    
     *  **地址域：** 七位地址，代表了设备在主机上的地址，地址 000 0000 被命名为零地址，是任何设备第一次连接到主机时，在被主机配置、枚举前的默认地址，由此可以知道为什么一个USB主机只能接127个设备的原因。
     *  **端点域(ENDP)：** 四位，由此可知一个USB设备端点数量最大为16个。
 *  **帧号：** 占11位，主机每发出一个帧，帧号都会自加1，当帧号达到 0x7FF 时，将归零重新开始计数。帧号域最大容量0x800，对于同步传输有重要意义。
 *  **数据：** 根据传输类型的不同，数据域的数据长度从0到1024字节不等。  
    ![DATA][]
 *  **CRC：** 对令牌包和数据包中非PID域进行校验的一种方法，CRC校验在通讯中应用很泛，是一种很好的校验方法，CRC码的除法是模2运算，不同于10进制中的除法。
 *  Token CRCs  
      对于令牌（Token）使用5位CRC。涵盖了IN，SETUP和OUT令牌的ADDR和ENDP字段 或 SOF令牌的时间戳字段。 PING和SPLIT特殊令牌也包括一个五位CRC字段。生成多项式如下： ‘ G ( X ) = X 5 + X 2 + 1 \`G(X) = X^5 + X^2 + 1 ‘G(X)=X5\+X2\+1。  
      表示这个多项式的二进制位模式是00101B。 如果所有令牌比特都没有错误地被接收到，则接收器处的五比特残差将是01100B。
 *  Data CRCs  
      数据CRC是应用在数据包的数据字段上的16位多项式。 生成多项式是： G ( X ) = X 16 + X 15 + X 2 + 1 G(X) = X^\{16\} + X^\{15\} + X^2 + 1 G(X)=X16\+X15\+X2\+1  
      表示这个多项式的二进制位模式是1000000000000101B。 如果接收到的所有数据和CRC位都没有错误，则16位残差将为1000000000001101B。

### 包（Packet） ###

包（Packet）是USB系统中信息传输的基本单元，所有数据都是经过打包后在总线上传输的。  
  包是USB总线上数据传输的最小单位，不能被打断或干扰，否则会引发错误。若干个数据包组成一次事务传输，一次事务传输也不能打断，属于一次事务传输的几个包必须连续，不能跨帧完成。一次传输由一次到多次事务传输构成，可以跨帧完成。  
  由域构成的包有四种类型，分别是令牌包、数据包、握手包和特殊包，前面三种是重要的包，不同包的域结构不同，介绍如下：

*  **令牌包：** 分为输入包、输出包、设置包和帧起始包（注意这里的输入包是用于设置输入命令的，输出包是用来设置输出命令的，而不是放数据的）其中输入包、输出包和设置包的格式都是一样的：  
    `SYNC + PID + （ADDR + ENDP） + CRC5(五位的校验码)`  
    ![Token][]  
    帧起始包的格式：  
    `SYNC + PID + 11位FRAM + CRC5(五位的校验码)`  
    ![SOF Packet][]
    
     *  输出（OUT）令牌包：用来通知设备将要输出一个数据包
     *  输入（IN）令牌包：用来通知设备返回一个数据包
     *  建立（SETUP）令牌包：只用在控制传输中，和输出令牌包作用一样，也是通知设备将要输出一个数据包。
     *  帧起始包：在每帧（或微帧）开始时发送，以广播的形式发送，所有USB全速设备和高速设备都可以接收到SOF包。
 *  **数据包：** 分为DATA0包和DATA1包。当USB发送数据的时候，如果一次发送的数据长度大于相应端点的容量时，就需要把数据包分为好几个包，分批发送，DATA0 包和DATA1 包交替发送，即如果第一个数据包是DATA0，那第二个数据包就是DATA1。但也有例外情况，在同步传输中(四类传输类型中之一)，所有的数据包都是为 DATA0，格式如下：  
    `SYNC + PID + 0~1024字节 + CRC16`  
    ![Data Packet][]

> 低速设备允许的最大数据有效载荷大小为8个字节。 全速设备的最大数据有效载荷大小为1023.高速设备的最大数据有效载荷大小为1024个字节。

*  **握手包：** 握手包包括 ACK、NAK、STALL以及NYET 四种，其中
 *  ACK 表示肯定的应答，成功的数据传输。对于IN事务，它将由host发出；对于OUT、SETUP和PING事务，它将由device发出。
 *  NAK 表示否定的应答，失败的数据传输，要求重新传输。在数据阶段，对于IN事务，它将由device发出；在握手阶段，对于OUT和PING事务，它也将由device发出；***host从不发送NAK包。***
 *  STALL表示功能错误或端点被设置了STALL属性。
 *  NYET表示尚未准备好，要求等待。结构最为简单的包，格式如下：`SYNC + PID`  
    ![Handshake Packet][]

### 事务（Transaction） ###

在USB上数据信息的一次接收或发送的处理过程称为事务处理（Transaction），分别有IN、OUT和SETUP三大事务。一个事务由一系统packet组成，具体由哪些packet组成，它取决于具体的事务。可能由如下包组成：

*  一个token packet
 *  可选的data pcket
 *  可选的handshake packet
 *  可选的special packet

事务的三种类型如下(以下按三个阶段来说明一个事务)：

#### IN事务 ####

表示USB主机从总线上的某个USB设备接收一个数据包的过程。  
令牌包阶段——主机发送一个PID为IN的输入包给设备，通知设备要往主机发送数据；  
数据包阶段——设备根据情况会作出三种反应(要注意：数据包阶段也不总是传送数据的，根据传输情况还会提前进入握手包阶段)。

*  【正常】的输入事务处理：设备往主机里面发出数据包(DATA0与DATA1交替)  
    ![IN Normal][]
 *  【设备忙】时的输入事务处理：无法往主机发出数据包就发送NAK无效包，IN事务提前结束，到了下一个IN事务才继续；  
    ![IN Busy][]
 *  【设备出错】时的输入事务处理：发送错误包STALL包，事务也就提前结束了，总线进入空闲状态。  
    ![IN Error][]  
    握手包阶段——主机正确接收到数据之后就会向设备发送ACK包。

#### OUT 事务 ####

输出事务处理：表示USB主机把一个数据包输出到总线上的某个USB设备接收的过程。  
令牌包阶段——主机发送一个PID为OUT的输出包给设备，通知设备要接收数据；  
数据包阶段——比较简单，就是主机会往设备送数据，DATA0与DATA1交替  
握手包阶段——设备根据情况会作出三种反应

*  【正常】的输出事务处理：设备给主机返回ACK，通知主机可以发送新的数据，如果数据包发生了CRC校验错误，将不返回任何握手信息；  
    ![OUT Normal][]
 *  【设备忙时】的输出事务处理：无法给主机返回ACK，就发送NAK无效包，通知主机再次发送数据  
    ![OUT Busy][]
 *  【设备出错】的输出事务处理：发送错误包STALL包，事务提前结束，总线直接进入空闲状态  
    ![OUT Error][]

#### SETUT 事务 ####

令牌包阶段——主机发送一个PID为SETUP的输出包给设备，通知设备要接收数据；  
数据包阶段——比较简单，就是主机往设备送数据，注意，这里只有一个固定为8个字节的DATA0包，这8个字节的内容就是标准的USB设备请求命令。  
握手包阶段——设备接收到主机的命令信息后，返回ACK，此后总线进入空闲状态，并准备下一个传输(在SETUP事务后通常是一个IN或OUT事务构成的传输)。

*  【正常】的设置事务处理  
    ![SETUP Normal][]
 *  【设备忙时】的设置事务处理  
    ![SETUP Busy][]
 *  【设备出错】的设置事务处理  
    ![SETUP Error][]

## 传输（Transfers） ##

*以下部分主要根据 USB 2.0 规范的第五章和第八章* 。USB系统中的数据传输，宏观看是在HOST和USB功能设备之间进行。微观看是在应用软件的Buffer和USB功能设备的端点之间进行。一般来说端点都有Buffer，可以认为USB通讯就是应用软件Buffer和设备端点Buffer之间的数据交换，***交换的通道称为管道***。通常需要多个管道来完成数据交换，因为同一管道只支持一种类型的数据传输。用在一起来对设备进行控制的若干管道称为设备的接口，这就是端点、管道和接口的关系。Host与Device之间的通信视图如下：  
![传输][70 1]  
  ***USB 采用“令牌包”-“数据包”-“握手包”的传输机制***，在令牌包中指定数据包去向或者来源的设备地址和端点(Endpoint)，从而保证了只有一个设备对被广播的数据包/令牌包作出响应。握手包表示了传输的成功与否。  
  ***USB 采用轮询的广播机制传输数据***，所有的传输都由主机发起，任何时刻整个 USB 体系内仅允许一个数据包的传输，即不同物理传输线上看到的数据包都是同一被广播的数据包。  
  各种传输类型下，对于包长、速率限制如下：  
![SPEED][]  
  传输由OUT、IN和SETUP事务构成，传输有四种类型，中断传输、批量传输、同步传输、控制传输，其中中断传输和批量传输的结构一样，同步传输有最简单的结构，而控制传输是最重要的也是最复杂的传输。

### 控制传输（Control Transfers） ###

控制传输是一种可靠的双向传输，是最重要也是最复杂的。一次控制传输分为三(或两个)个阶段：**建立(Setup)**、**数据(DATA)(可能没有)以及状态(Status)**。每个阶段都由一次或多次(数据阶段)事务传输组成(Transaction)。在USB设备初次接到主机后，主机通过控制传输来交换信息、设备地址和读取设备的描述符，使得主机识别设备，并安装相应的驱动程序，这是每一个USB开发者都要关心的问题。  
  控制传输是双向的传输，必须有IN和OUT两个方向上的特定端点号的控制端点来完成两个方向上的控制传输

*  **建立阶段：** 主机从USB设备获取配置信息，并设置设备的配置值。建立阶段的数据交换包含了SETUP令牌封包、紧随其后的DATA0数据封包以及ACK握手封包。它的作用是执行一个设置（概念含糊）的数据交换，并定义此控制传输的内容(即：在Data Stage中IN或OUT的data包个数，及发送方向，在Setup Stage已经被设定)。  
      建立阶段，Device 只能返回ACK包，或者不返回任何包。  
    ![SETUP][]
 *  **数据阶段：** 数据过程是可选的。一个数据过程包含一笔或者多笔数据事务。数据过程的第一个数据包必须是DATA1包，然后每次正确传输一个数据包就在DATA0和DATA1之间交替。  
    ![Ctrl RW][]  
    根据数据阶段的数据传输的方向，控制传输又可分为3种类型：
 *  **控制读取（读取USB描述符）：** 是将数据从设备读到主机上，读取的数据USB设备描述符。该过程如上图的【Control Read】所示。对每一个数据信息包而言，首先，主机会发送一个IN令牌信息包，表示要读数据进来。然后，设备将数据通过DATA1/DATA0数据信息包回传给主机。最后，主机将以下列的方式加以响应：当数据已经正确接收时，主机送出ACK令牌信息包；当主机正在忙碌时，发出NAK握手信息包；当发生了错误时，主机发出STALL握手信息包。
 *  **控制写入（配置USB设备）：** 是将数据从主机传到设备上，所传的数据即为对USB设备的配置信息，该过程如上图的【Control Wirte】所示。对每一个数据信息包而言，主机将会送出一个OUT令牌信息包，表示数据要送出去。紧接着，主机将数据通过DATA1/DATA0数据信息包传递至设备。最后，设备将以下列方式加以响应：当数据已经正确接收时，设备送出ACK令牌信息包；当设备正在忙碌时，设备发出NAK握手信息包；当发生了错误时，设备发出STALL握手信息包。
 *  **无数据控制：** 如上图
 *  **状态阶段：** 用来表示整个传输的过程已完全结束。通过一次IN/OUT传输表明请求是否成功完成。  
      ***状态阶段传输的方向必须与数据阶段的方向相反***，即原来是IN令牌封包，这个阶段应为OUT令牌封包；反之，原来是OUT令牌封包，这个阶段应为IN令牌封包。  
      对于【控制读取】而言，主机会送出OUT令牌封包，其后再跟着0长度的DATA1封包。而此时，设备也会做出相对应的动作，送ACK握手封包、NAK握手封包或STALL握手封包。  
      相对地对于【控制写入】传输，主机会送出IN令牌封包，然后设备送出表示完成状态阶段的0长度的DATA1封包，主机再做出相对应的动作：送ACK握手封包、NAK握手封包或STALL握手封包。

控制传输通过控制管道在应用软件和Device的控制端点之间进行，控制传输过程中传输的数据是有格式定义的，USB 设备或主机可根据格式定义解析获得的数据含义。其他三种传输类型都没有格式定义。***控制传输对于最大包长度有固定的要求。对于高速设备该值为64Byte，对于低速设备该值为8，全速设备可以是8或16或32或64***。  
  最大包长度表征了一个端点单次接收/发送数据的能力，实际上反应的是该端点对应Buffer的大小。Buffer越大，单次可接收/发送的数据包越大，反之亦反。当通过一个端点进行数据传输时，若数据的大小超过该端点的最大包长度时，需要将数据分成若干个数据包传输。并保证除最后一个包外，所有的包长度均等于该最大包长度。这也就是说如果一个端点收到/发送了一个长度小于最大包长度的包，即意味着数据传输结束。

控制传输在访问总线时也受到一些限制,如高速端点的控制传输不能占用超过 20%的微帧，全速和低速的则不能超过 10%。在一帧内如果有多余的未用时间，并且没有同步和中断传输，可以用来进行控制传输。

与批量传输相比，在流程上并没有多大区别，区别只在于该事务传输发生的端点不一样、支持的最大包长度不一样、优先级不一样等这样一些对用户来说透明的东西。

### 中断传输（Interrupt Transfers） ###

中断传输是一种轮询的传输方式，是一种单向的传输。HOST通过固定的间隔对中断端点进行查询，若有数据传输或可以接收数据则返回数据或发送数据。否则返回NAK，表示尚未准备好。***中断传输的延迟有保证，但并非实时传输，它是一种延迟有限的可靠传输，支持错误重传***。对于高速/全速/低速端点，最大包长度分别可以达到1024/64/8 Bytes。 高速中断传输不得占用超过 80%的微帧时间，全速和低速不得超过90%。 中断端点的轮询间隔由在端点描述符中定义，全速端点的轮询间隔可以是1 ~ 255mS。低速端点为10 ~ 255mS，高速端点为(2interval-1)\*125uS，其中 interval 取 1到 16 之间的值。  
  除高速高带宽中断端点外，一个微帧内仅允许一次中断事务传输。高速高带宽端点最多可以在一个微帧内进行三次中断事务传输，传输高达 3072 字节的数据。  
  所谓单向传输，并不是说该传输只支持一个方向的传输。而是指在某个端点上该传输仅支持一个方向，或输出、或输入。如果需要在两个方向上进行某种单向传输，需要占用两个端点,分别配置成不同的方向。可以拥有相同的端点编号。  
  中断传输由OUT事务和IN事务构成，用于键盘、鼠标等HID设备的数据传输。  
  中断传输在流程上除不支持PING之外，其他的跟批量传输是一样的。他们之间的区别也仅在于事务传输发生的端点不一样、支持的最大包长度不一样、优先级不一样等这样一些对用户来说透明的东西。  
  主机在排定中断传输任务时，会根据对应中断端点描述符中指定的查询间隔发起中断传输。中断传输有较高的优先级，仅次于同步传输。同样中断传输也采用 PID 翻转的机制来保证收发端数据同步。  
  中断传输方式总是用于对设备的查询，以确定是否有数据需要传输。因此中断传输的方向总是从USB设备到主机。  
  下图为中断传输的流程图。  
![INT Trans][]

> DATA0或DATA1中的包含的是中断信息，而不是中断数据

### 批量传输（Bulk Transfers） ###

批量传输由OUT事务和IN事务构成，***是一种可靠的单向传输，但延迟没有保证***，它尽量利用可以利用的带宽来完成传输，适合数据量比较大的传输。低速USB设备不支持批量传输，高速批量端点的最大包长度为512，全速批量端点的最大包长度可以为8、16、32、64。  
  用于传输大量数据，要求传输不能出错，但对时间没有要求，适用于打印机、存储设备等  
  批量传输在访问USB总线时，相对其他传输类型具有最低的优先级，USB HOST总是优先安排其他类型的传输，当总线带宽有富余时才安排批量传输。高速的批量端点必须支持PING操作，向主机报告端点的状态。NYET表示否定应答，没有准备好接收下一个数据包，ACK 表示肯定应答，已经准备好接收下一个数据包。  
  它通过在硬件级执行“错误检测”和“重传”来确保host与device之间“准确无误”地传输数据，即可靠传输。它由三种包组成(即IN事务或OUT事务)：

*  token
 *  data
 *  handshake

![Bulk][]  
  上图（USB2.0规范的8.5.2章节）中一个方框表示一个 Packet，灰色的包表示主机发出的包，白色的包表示Device发出的包。\*\*\*批量传输是可靠的传输，需要握手包来表明传输的结果。\*\*\*若数据量比较大，将采用多次批量事务传输来完成全部数据的传输，传输过程中数据包的PID按照 DATA0-DATA1-DATA0-…的方式翻转，以保证发送端和接收端的同步。若成功则将错误次数计数器清0，否则累加该计数器。

*  For IN Token (即：IN Transaction)
 *  ACK: 表示host正确无误地接收到数据
 *  NAK: 指示设备暂时不能返回或接收数据 (如：设备忙)
 *  STALL:指示设备永远停止，需要host软件的干预 (如：设备出错)
 *  For OUT Token (即：OUT Transaction)  
    如果接收到的数据包有误，如：CRC错误，Device不发送任何handshake包
 *  ACK: Device已经正确无误地接收到数据包，且通知Host可以按顺序发送下一个数据包
 *  NAK: Device 已经正确无误地接收到数据包，且通知Host重传数据，由于Device临时状况(如buffer满)
 *  STALL: 指示Device endpoint已经停止，且通知Host不再重传

USB 允许连续 3次以下的传输错误，错误时会重试该传输，若成功则将错误次数计数器清零，否则累加该计数器。超过三次后，HOST 认为该端点功能错误（STALL），放弃该端点的传输任务。  
  一次批量传输(Transfer)由 1 次到多次批量事务传输(Transaction)组成。

![Bulk RW][]  
  上图（USB2.0规范的8.5.2章节）为批量读写时数据位和PID的变化情况。主机总是使用配置事件将总线传输的第一个事务初始化为 DATA0 PID。 第二个事务使用 DATA1 PID，并且在批量传输的其余部分中交替使用 DATA0 和 DATA1 传输数据。翻转同步：发送端按照 DATA0-DATA1-DATA0-…的顺序发送数据包，只有成功的事务传输才会导致PID翻转，也就是说发送段只有在接收到ACK后才会翻转PID，发送下一个数据包，否则会重试本次事务传输。同样，若在接收端发现接收到的数据包不是按照此顺序翻转的，比如连续收到两个DATA0，那么接收端认为第二个DATA0是前一个DATA0的重传。

### 同步传输（Isochronous Transfers） ###

***同步传输是一种实时的、不可靠的传输，不支持错误重发机制***。只有高速和全速端点支持同步传输，高速同步端点的最大包长度为1024，低速的为1023。由OUT事务和IN事务构成。有两个特殊地方，第一，在同步传输的IN和OUT事务中是没有返回包阶段的；第二，在数据包阶段所有的数据包都为DATA0。  
它由两种包组成：

*  token
 *  data

![Isochronous Transfers][]  
  同步传输不支持“handshake”和“重传能力”，所以它是不可靠传输。  
  同步传输适用于必须以固定速率抵达或在指定时刻抵达，可以容忍偶尔错误的数据上。实时传输一般用于麦克风、喇叭、UVC Camera等设备。实时传输只需令牌与数据两个信息包阶段，没有握手包，故数据传错时不会重传。  
  除高速高带宽同步端点外，一个微帧内仅允许一次同步事务传输，高速高带宽端点最多可以在一个微帧内进行三次同步事务传输，传输高达 3072 字节的数据。全速同步传输不得占用超过 80%的帧时间，高速同步传输不得占用超过90%的微帧时间。同步端点的访问也和中断端点一样,有固定的时间间隔限制。  
  ***同步传输是不可靠的传输，所以它没有握手包，也不支持PID翻转***。主机在排定事务传输时，同步传输有最高的优先级。

### 分离传输(Split Transaction) ###

分离传输是在主机控制器和USB HUB之间的传输，它仅在主机控制器和HUB之间执行，通过分离传输，可以允许全速/低速设备连接到高速主机。分离传输对于USB设备来说是透明的、不可见的。  
  分离传输，顾名思义就是把一次完整的事务传输分成两个事务传输来完成。其出发点是高速传输和全速/低速传输的速度不相等，如果使用一次完整的事务来传输，势必会造成比较长的等待时间，从而降低了高速USB总线的利用率。通过将一次传输分成两次，将令牌(和数据)的传输与响应数据(和握手)的传输分开，这样就可以在中间插入其他高速传输，从而提高总线的利用率。

# 参考 #

*  Universal Serial Bus Specification Revision 2.0
 *  国嵌相关资料

# 附件 #

1.  [Bus Hound监听的U盘的报文][Bus Hound_U]
2.  [国嵌资料USB部分][USB 1]

[Link 1]: https://blog.csdn.net/zcshoucsdn/article/details/80018173
[USB]: /images/20220527/96d202d314a44022bed9d57eedd2181a.png
[Bus Topology]: /images/20220527/09d40e1b9c1241358047a442a10f8b7a.png
[USB Cable]: /images/20220527/96dadbbba2e84d098dac4287bc84c10a.png
[Resume]: /images/20220527/5838a802ac1545cda59bedfb492aeda2.png
[SOP_EOP]: /images/20220527/1183a424ffba41c6a66f0e9d5a3bcb2d.png
[SYNC]: /images/20220527/6c716bc16ad742fc9d8939691cfd945d.png
[70]: /images/20220527/431bdeb917a84d0c89d6e248ef17cd86.png
[DC]: /images/20220527/9fcdd36ca0b544b68f0703fe81a8da19.png
[NRZI]: /images/20220527/6d55e70a15574ac9a93bdf56a4542786.png
[SOF]: /images/20220527/6937aa90fd9347859f53e23d5c15df65.png
[Frame]: /images/20220527/2473f8502c784e2d8528c110000d6508.png
[Packet]: /images/20220527/e61c7aeed8804831b3465015c1d24d0b.png
[PID]: /images/20220527/e3a4ab9d6196427c85deb2ff0d6fb377.png
[ADDR]: /images/20220527/c25d6f6af2814bd18b5ea198cb91f3cc.png
[DATA]: /images/20220527/8dac11f956a240d5b0c939ecfab112a2.png
[Token]: /images/20220527/8a66f2a9abe6472185613a7be15ae0ce.png
[SOF Packet]: /images/20220527/5e198e83401449beae4a347db1e1db3f.png
[Data Packet]: /images/20220527/7579e6d439234966a08d98d28065ed12.png
[Handshake Packet]: /images/20220527/0031552c8cb14e0290c4ebb56982d4bb.png
[IN Normal]: /images/20220527/89fb82448cc74fa78d72f1253d8529a1.png
[IN Busy]: /images/20220527/59868abda4304226b8eaea90762e8972.png
[IN Error]: /images/20220527/a271f1a6fa244e86bde6f0cffa1fd868.png
[OUT Normal]: /images/20220527/643964610d6c4ace967ce54160d1d8fd.png
[OUT Busy]: /images/20220527/0983915f541d4d3e8ff68018674228a5.png
[OUT Error]: /images/20220527/8b13aade59ec49cdae2d49b9a0bad014.png
[SETUP Normal]: /images/20220527/ca1cab25ea3447c491dd844d22183086.png
[SETUP Busy]: /images/20220527/d406b61337d548af89b0e2d0bea264bb.png
[SETUP Error]: /images/20220527/ff0d80a982d743118b0dbf7f694f56b1.png
[70 1]: /images/20220527/0f40569dbc694a9fa584177e4c2744b9.png
[SPEED]: /images/20220527/d31b66092e7a49d2b7ecbfe80724baec.png
[SETUP]: /images/20220527/e941237f79204db59a6815c55e47fd19.png
[Ctrl RW]: /images/20220527/8685ae9ba436409fa6503ae4ac0598ae.png
[INT Trans]: /images/20220527/b293e9ea84764f53b02c8eddd9b4845c.png
[Bulk]: /images/20220527/348085d20699484b924da0267ec2e3b0.png
[Bulk RW]: /images/20220527/73e64543691b41e2a904d479d28606d4.png
[Isochronous Transfers]: /images/20220527/4e56690e138148b0b200a651d3fed314.png
[Bus Hound_U]: https://download.csdn.net/download/zcshoucsdn/10359203
[USB 1]: https://download.csdn.net/download/zcshoucsdn/10359219