usb協(xié)議深入解讀：USB總線上的情形是怎樣的

第第頁usb協(xié)議深入解讀：USB總線上的情形是怎樣的？1.基本概念一個【傳輸】(控制、批量、中斷、等時)：由多個【事務(wù)】組成；

一個【事務(wù)】(IN、OUT、SETUP)：由一多個【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【（pi）pes】。一個USB設(shè)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)摹?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?yàn)樵诟咚賃SB系統(tǒng)中，SOF包中幀編號實(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(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€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：

2.1PID類型(即包類型)

2.2TokenPackets

此格式適用于IN、OUT、SETUP、PING。PID數(shù)據(jù)傳輸方向：

INDevice->Host

OUTHost->Device

SETUPHost->Device

PINGDevice->Host

2.3Start-of-Frame(SOF)Packets

SOF包由Host發(fā)送給Device。

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

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

SOF包構(gòu)成如下圖所示

2.4DataPackets

有四種類類型的數(shù)據(jù)包：DATA0,DATA1,DATA2,andMDATA，且由PID來區(qū)分。DATA0和DATA1被定義為支持?jǐn)?shù)據(jù)切換同步(datatogglesynchronization)。

2.5HandshakePackets

（AC）K:對于IN事務(wù)，它將由host發(fā)出；對于OUT、SETUP和PING事務(wù)，它將由device發(fā)出。NAK:在數(shù)據(jù)階段，對于IN事務(wù)，它將由device發(fā)出；在握手階段，對于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)(Transac（ti）on)

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(wù)處理（Transaction）即：Thedeliveryofserv（ic）etoanendpoint。一個事務(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tokenpacket

可選的datapcket

可選的handshakepacket

可選的specialpacket

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USB設(shè)備接收一個數(shù)據(jù)包的過程?！菊！康妮斎胧聞?wù)處理

【設(shè)備忙】時的輸入事務(wù)處理

【設(shè)備出錯】時的輸入事務(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)把一個數(shù)據(jù)包輸出到總線上的某個USB設(shè)備接收的過程?！菊！康妮敵鍪聞?wù)處理

【設(shè)備忙時】的輸出事務(wù)處理

【設(shè)備出錯】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】的設(shè)置事務(wù)處理

【設(shè)備出錯】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(ControlTransfer)

中斷傳輸(InterruptTransfer)

批量傳輸(BulkTransfer)

同步傳輸(Isochronous)

4.1控制傳輸(ControlTransfer)

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(wù)傳輸組成（Transaction）?？刂茢?shù)據(jù)由USB系統(tǒng)軟件用于配置設(shè)備(在枚舉時)，其它的驅(qū)動軟件可以選擇使用controltransfer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DataStage中IN或OUT的data包個數(shù)，及發(fā)送方向，在SetupStage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?。ㄗx取USB描述符）

控制寫入（配置USB設(shè)備）

無數(shù)據(jù)控制

數(shù)據(jù)傳輸階段：用來傳輸主機(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。該過程如下圖的【ControlRe（ad）】所示。對每一個數(shù)據(jù)信息包而言，首先，主機(jī)會發(fā)送一個IN令牌信息包，表示要讀數(shù)據(jù)進(jìn)來。然后，設(shè)備將數(shù)據(jù)通過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，主機(jī)送出ACK令牌信息包；當(dāng)主機(jī)正在忙碌時，發(fā)出NAK握手信息包；當(dāng)發(fā)生了錯誤時，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USB設(shè)備的配置信息，該過程如下的圖【ControlWirte】所示。對每一個數(shù)據(jù)信息包而言，主機(jī)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(jī)將數(shù)據(jù)通過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，設(shè)備送出ACK令牌信息包；當(dāng)設(shè)備正在忙碌時，設(shè)備發(fā)出NAK握手信息包；當(dāng)發(fā)生了錯誤時，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：用來表示整個傳輸?shù)倪^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，即原來是IN令牌封包，這個階段應(yīng)為OUT令牌封包；反之，原來是OUT令牌封包，這個階段應(yīng)為IN令牌封包。對于【控制讀取】而言，主機(jī)會送出OUT令牌封包，其后再跟著0長度的DATA1封包。而此時，設(shè)備也會做出相對應(yīng)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(jī)會送出IN令牌封包，然后設(shè)備送出表示完成狀態(tài)階段的0長度的DATA1封包，主機(jī)再做出相對應(yīng)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(BulkTransfer)

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(jī)、存儲設(shè)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(jié)果。若數(shù)據(jù)量比較大，將采用多次批量事務(wù)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(zhuǎn)，以保證發(fā)送端和接收端的同步。USB允許連續(xù)3次以下的傳輸錯誤，會重試該傳輸，若成功則將錯誤次數(shù)計(jì)數(shù)器清零，否則累加該計(jì)數(shù)器。超過三次后，HOST認(rèn)為該端點(diǎn)功能錯誤（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)傳輸才會導(dǎo)致PID翻轉(zhuǎn)，也就是說發(fā)送端只有在接收到ACK后才會翻轉(zhuǎn)PID，發(fā)送下一個數(shù)據(jù)包，否則會重試本次事務(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DATA0，那么接收端認(rèn)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(zhǔn)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(wù)或OUT事務(wù))：

token

data

handshake

F（or）INToken(即：INTransaction)

ACK:表示host正確無誤地接收到數(shù)據(jù)

NAK:指示設(shè)備暫時不能返回或接收數(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)

ForOUTToken(即：OUTTransaction)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Deviceendpoint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(InterruptTransfer)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(jī)在排定中斷傳輸任務(wù)時，會根據(jù)對應(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，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(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(IsochronousTransfer)

它由兩種包組成：

token

data

同步傳輸不支持“hands