新手都能看懂的 USB 通信協議

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USB接口隨處可見，手機、電腦、電視，以及各種電子產品充電口（雖然是USB-C，但它也是USB)都有USB的身影。
USB應用非常廣泛，很多嵌入式設備也具有USB通信能力，這里給大家分享一下USB通信協議主要內容，新手都能看明白（當然，最好還是有一定通信協議基礎才行）。

   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數據在【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系統中信息傳輸的基本單元，所有數據都是經過打包后在總線上傳輸的。數據在 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期間不允許有數據傳輸。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 1mSUSB總線上的情形是怎樣的？
0 P! A/ W; K6 e- }5 ?" L8 \1 J- g* D7 B

0 ~5 y/ j, l; p% [包是USB總線上數據傳輸的最小單位，不能被打斷或干擾，否則會引發(fā)錯誤。若干個數據包組成一次事務傳輸，一次事務傳輸也不能打斷，屬于一次事務傳輸的幾個包必須連續(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）、數據字段、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：

1.1 PID類型(即包類型)


# r$ n# i/ ^6 y  A; z3 Z- B
1.2 Token Packets

此格式適用于IN、OUT、SETUP、PING。
( u! D' t, L: ^) j3 ~PID 數據傳輸方向IN Device->HostOUT Host->DeviceSETUP Host->DevicePING Device->Host1.3 Start-of-Frame(SOF) PacketsSOF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；
% ]- C0 e* K$ S( n7 {- S[/ol]SOF包構成如下圖所示
0 ?( \* ?7 p1 U7 N& F
% y& E( i' Q( U6 p2 K
- _# ?3 R, y$ e4 q9 I+ k
1.4 Data Packets

6 l+ y2 ^3 w% ?  }4 P有四種類類型的數據包：DATA0, DATA1, DATA2,and MDATA，且由PID來區(qū)分。DATA0和DATA1被定義為支持數據切換同步(data toggle synchronization)。
8 g7 b! e, L. s& d% x, F; y1.5 Handshake Packets

0 f/ W4 J& I5 {$ C3 h0 B& hACK: 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: 在數據階段，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。   2、事務(Transaction)在USB上數據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 packet2.1 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設備接收一個數據包的過程。【正�！康妮斎胧聞仗幚�


【設備忙】時的輸入事務處理


2 K( S2 t" @% S0 N【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總線上的某個USB設備接收的過程。【正�！康妮敵鍪聞仗幚�
( c1 T% e5 v8 k$ }; \- F
2 O/ u* w  ~5 ~) _- u" Q2 P5 n& L) H
5 ~0 R( w* A$ X  M- y  j【設備忙時】的輸出事務處理
! A% a3 t) x5 D3 Q+ q* q
( h& ?% E, d6 ]
) l% {- m2 o$ {0 p【設備出錯】的輸出事務處理


7 |& S9 n/ @- e- H; {2.3 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

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【設備出錯】的設置事務處理
& g3 W- D+ C3 m0 _: a, i% \
2 n+ s9 [  Q! ^* |2 J2 {
   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)
  E$ q" _; W% H' f" r( J7 r4 n中斷傳輸 (Interrupt Transfer)
+ x$ @8 W9 B/ e6 j+ T" N" I批量傳輸 (Bulk Transfer)
7 u! x/ j, e+ Z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：建立階段(Setup)
* d* ]5 o7 H. b1 {數據階段（無數據控制沒有此階段）(DATA)
狀態(tài)階段(Status)
7 w' }; D( J9 G7 S; S[/ol]每個階段都由一次或多次（數據階段）事務傳輸組成（Transaction）�？刂茢祿�由USB系統軟件用于配置設備(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，并設置設備的配置值。建立階段的數據交換包含了SETUP令牌封包、緊隨其后的DATA0數據封包以及ACK握手封包。它的作用是執(zhí)行一個設置（概念含糊）的數據交換，并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(fā)送方向，在Setup Stage已經被設定)。

2 }6 M+ K: ?6 X* T# b( g6 [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：控制讀�。ㄗx取USB描述符）
控制寫入（配置USB設備）
% v9 D( \+ @/ F" d5 o6 M無數據控制
/ f* N) a& r" K, {1 P[/ol]數據傳輸階段：用來傳輸主機與設備之間的數據。控制讀取
% J' d0 D" A' n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(fā)送一個IN令牌信息包，表示要讀數據進來。然后，設備將數據通過DATA1/DATA0數據信息包回傳給主機。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(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。最后，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(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。

' k2 N  H. k! m* I& {3.1.3 狀態(tài)階段狀態(tài)階段：用來表示整個傳輸的過程已完全結束。狀態(tài)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。3.2 批量傳輸 (Bulk Transfer)用于傳輸大量數據，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的結果。若數據量比較大，將采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(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計數器清零，否則累加該計數器。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)送數據包，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)送下一個數據包，否則會重試本次事務傳輸。同樣，若在接收端發(fā)現接收到到的數據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”地傳輸數據，即可靠傳輸。它由三種包組成(即IN事務或OUT事務)：token
data
9 b, u. p  d/ t, m, v( P3 Uhandshake
7 s- h( I+ y9 f5 a* e[/ol]
! @; n2 Y) O/ K; e! t2 o
For IN Token (即：IN Transaction)
" g5 z0 t4 y% A' R( }, z! c6 d[/ol]ACK: 表示host正確無誤地接收到數據
, G: E, O$ Y& }. y" lNAK: 指示設備暫時不能返回或接收數據 (如：設備忙)
, @/ \- j  d* g$ a4 sSTALL: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)
[/ol]如果接收到的數據包有誤，如：CRC錯誤，Device不發(fā)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(fā)送下一個數據包
# W" x2 h7 t7 Y- ?# rNAK: Device 已經正確無誤地接收到數據包，且通知Host重傳數據，由于Device臨時狀況(如buffer滿)
  M' D$ f. [1 u/ F6 h: Z: ?STALL: 指示Device endpoint已經停止，且通知Host不再重傳
* E+ R+ v- L0 o% }9 g* R2 |Bulk讀寫序列
[/ol]

3 c: {: `3 z) s1 q/ i% W) Z8 B! T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(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)端數據同步。下圖為中斷傳輸的流程圖。中斷傳輸方式總是用于對設備的查詢，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。
. J" E' u' ?3 j% r" |6 V$ M
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)它由兩種包組成：
. g0 F) a* B. n' qtoken
data
; W4 p/ V+ C6 ^$ T% _[/ol]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(yōu)先級。同步傳輸適用于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。實時傳輸一般用于麥 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。
+ V$ m  v2 C. Z  M; Y% @7 E
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. T! h$ x6 T9 D8 S) m8 {9 o來源地址：https://blog.csdn.net/myarrow/article/details/8484113
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