1. 核心概念

一个USB传输可以分为多种类型，包括控制传输、批量传输、中断传输和等时传输，每种传输类型由多个USB事务组成。

每个USB事务可以包含IN（输入）、OUT（输出）和SETUP（设置）等多个数据包。

USB数据在主机软件和USB设备特定的端点之间进行传输，而主机软件和USB设备端点之间的连接称为“管道（pipes）”。一个USB设备可以包含多个管道。

2. 数据包(Packet)

数据包(Packet)是USB系统中信息传输的最小单元，在USB总线上传输的所有数据都经过了打包处理。USB总线上的数据传输以数据包为单位，在帧(Frame)内进行传输。

在高速USB总线上，帧周期为125微秒，而全速和低速USB总线上的帧周期为1毫秒。每帧的起始由一个特定的包(SOF包)表示，而帧的结束则由EOF包表示。EOF并不算作数据包，而是一种电平状态，在EOF期间不允许进行数据传输。

值得注意的是，尽管高速USB总线和全速/低速USB总线的帧周期不同，但SOF包中的帧编号增加速度是相同的。这是因为在高速USB系统中，SOF包中的帧编号实际上是由计数器的高11位确定的，而最低的三位用作微帧编号并未被使用，因此帧编号的增加周期也是1毫秒。

USB总线上的数据传输是如何进行的？

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。

USB包由五部分组成，即同步字段（SYNC）、包标识符字段（PID）、数据字段、循环冗余校验字段（CRC）和包结尾字段（EOP）；包的基本格式如下图：

2.1 PID类型(即包类型)

2.2 Token Packets

此格式适用于 IN、OUT、SETUP、PING。

PID 数据传输方向：

• IN Device->Host
• OUT Host->Device
• SETUP Host->Device
• PING Device->Host

2.3 Start-of-Frame(SOF) Packets

SOF包由Host发送给Device。

• 对于full-speed总线，每隔1.00 ms ±0.0005 ms发送一次；
• 对于high-speed总线，每隔125 μs ±0.0625 μs发送一次；

SOF包构成如下图所示

2.4 Data Packets

有四种类类型的数据包：DATA0, DATA1, DATA2,and MDATA，且由PID来区分。

DATA0和DATA1被定义为支持数据切换同步(data toggle synchronization)。

2.5 Handshake Packets

ACK: 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: 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。

**3. 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）即：The delivery of service to an endpoint。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

3.1 输入（IN）事务处理

输入事务处理：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。

【正常】的输入事务处理

【设备忙】时的输入事务处理

【设备出错】时的输入事务处理

3.2. 输出（OUT）事务处理

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。

【正常】的输出事务处理

【设备忙时】的输出事务处理

【设备出错】的输出事务处理

3.3 设置（SETUP）事务处理

【正常】的设置事务处理

【设备忙时】的设置事务处理

【设备出错】的设置事务处理

4. USB传输类型在USB的传输中，定义了4种传输类型：

• 控制传输 (Control Transfer)
• 中断传输 (Interrupt Transfer)
• 批量传输 (Bulk Transfer)
• 同步传输 (Isochronous)

4.1 控制传输 (Control Transfer)

控制传输由 2～3 个阶段组成：

• 建立阶段(Setup)
• 数据阶段（无数据控制没有此阶段）(DATA)
• 状态阶段(Status)

每个阶段都由一次或多次（数据阶段）事务传输组成（Transaction）。

控制数据由USB系统软件用于配置设备(在枚举时)，其它的驱动软件可以选择使用control transfer实现具体的功能，数据传输是不可丢失的。

4.1.1 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)。

4.1.2 数据阶段

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）
• 控制写入（配置USB设备）
• 无数据控制

数据传输阶段：用来传输主机与设备之间的数据。

• 控制读取

是将数据从设备读到主机上，读取的数据USB设备描述符。该过程如下图的【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

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，该过程如下的图【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。

4.1.3 状态阶段

状态阶段：用来表示整个传输的过程已完全结束。

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。

4.2 批量传输 (Bulk Transfer)

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。

USB 允许连续 3次以下的传输错误，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。

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，也就是说发送端只有在接收到 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。

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

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

Bulk读写序列

即由一系统IN事务或OUT事务组成。

4.3 中断传输(Interrupt Transfer)

中断传输由 IN 或 OUT 事务组成。

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。下图为中断传输的流程图。

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。

DATA0 或 DATA1 中的包含的是中断信息，而不是中断数据。

4.4 同步传输(Isochronous Transfer)

它由两种包组成：

• token
• data

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。

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。

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