• USB Schedule： USB 提供共享互連。 為了支持同步數(shù)據(jù)傳輸并消除仲裁開(kāi)銷(xiāo)，計(jì)劃訪問(wèn)互連。

USB電器特性

??該部分主要針對(duì)USB 2.0規(guī)范的第六章和第七章。在USB 2.0系統(tǒng)中要求USB傳輸線使用屏蔽雙絞線。USB 支持“總線供電”和“自供電”兩種供電模式。在總線供電模式下，設(shè)備最多可以獲得500mA 的電流。一條USB傳輸線分別由地線、電源線、D+ 和 D- 四條線構(gòu)成，D+ 和 D- 是差分輸入線。它使用的是 3.3V 的電壓（與 CMOS 的 5V 電平不同），而電源線和地線可向設(shè)備提供 5V 電壓，最大電流為 500mA (可以在編程中設(shè)置)。

在 USB2.0 規(guī)范中，定義了以下一些電平信號(hào)：

• 差分信號(hào)1：D+>2.8V，D-<0.3V；
• 差分信號(hào)0：D->2.8V，D+<0.3V。
• J 狀態(tài)和 K 狀態(tài)
  ??低速下：D+ 為“0”，D- 為“1”是為“J”狀態(tài)，“K”狀態(tài)相反；
  ??全速下：D+ 為“1”，D- 為“0”是為“J”狀態(tài)，“K”狀態(tài)相反；
  ??高速同全速。
• SE0 狀態(tài)：D+為“0”，D- 為“0”
• IDLE 狀態(tài)
  ??低速下空閑狀態(tài)為“K”狀態(tài)；
  ??全速下空閑狀態(tài)為“J”狀態(tài)；
  ??高速下空閑狀態(tài)為“SE0”狀態(tài)。

針對(duì)低速 / 全速模式，有以下幾個(gè)重要信號(hào)：

• Reset 信號(hào)： 主機(jī)在要和設(shè)備通信之前會(huì)發(fā)送Reset信號(hào)來(lái)把設(shè)備配置到默認(rèn)的未配置狀態(tài)。即 SE0 狀態(tài)保持10ms。
• Resume 信號(hào)： 20ms 的 K 狀態(tài) + 低速 EOP

（1）主機(jī)在掛起設(shè)備后可通過(guò)翻轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)線上的極性并保持20ms來(lái)喚醒設(shè)備，并以低速EOP信號(hào)結(jié)尾。
（2）帶遠(yuǎn)程喚醒功能的設(shè)備還可自己發(fā)起該喚醒信號(hào)；前提是設(shè)備已進(jìn)入idle狀態(tài)至少5ms，然后發(fā)出喚醒K信號(hào)，維持1ms到15ms并由主機(jī)在1ms內(nèi)接管來(lái)繼續(xù)驅(qū)動(dòng)喚醒信號(hào)

• Suspend 信號(hào)： 3ms 以上的 J 狀態(tài)
• SOP 信號(hào)： 從IDLE狀態(tài)切換到 K 狀態(tài)
• EOP 信號(hào)： 持續(xù)2位時(shí)間的SE0信號(hào)，后跟隨1位時(shí)間的J狀態(tài)

• SYNC 信號(hào)： 3個(gè) K、J 狀態(tài)切換，后跟隨2位時(shí)間的 K 狀態(tài)（看到的波形變化是總線上發(fā)送0000 0001經(jīng)過(guò) NRZI 編碼后的波形）
  

規(guī)范中給出的各信號(hào)電平如下圖所示：

規(guī)范中給出的DC 電氣特性如下圖所示：

USB 通信協(xié)議

??以下部分主要根據(jù) USB 2.0 規(guī)范的第八章。數(shù)據(jù)在USB線里傳送是由低位到高位發(fā)送的。USB采用 NRZI(非歸零編碼) 對(duì)發(fā)送的數(shù)據(jù)包進(jìn)行編碼。即：輸入數(shù)據(jù)0，編碼成“電平翻轉(zhuǎn)”；輸入數(shù)據(jù)1，編碼成“電平不變”。
??USB采用不歸零取反來(lái)傳輸數(shù)據(jù)，當(dāng)傳輸線上的差分?jǐn)?shù)據(jù)輸入0時(shí)就取反，輸入1時(shí)就保持原值，為了確保信號(hào)發(fā)送的準(zhǔn)確性，當(dāng)在USB總線上發(fā)送一個(gè)包時(shí)，傳輸設(shè)備就要進(jìn)行位插入操作(即在數(shù)據(jù)流中每連續(xù) 6 個(gè) 1 后就插入一個(gè)0) ，從而強(qiáng)迫 NRZI 碼發(fā)生變化。接收方解碼 NRZI 碼流，然后識(shí)別出填充位，并丟棄它們。這些是由專(zhuān)門(mén)硬件處理的。

USB 數(shù)據(jù)格式

??USB 數(shù)據(jù)是由二進(jìn)制數(shù)字串構(gòu)成的，首先 數(shù)字串組成域（有七種） ， 域再組成包 ， 包再組成事務(wù)（IN、OUT、SETUP） ，事務(wù)最后組成傳輸（中斷傳輸、并行傳輸、批量傳輸和控制傳輸） 。下面介紹一下域、包和事務(wù)。
??USB協(xié)議規(guī)定了四種傳輸（transfer）類(lèi)型：批量傳輸、同步傳輸、中斷傳輸和控制傳輸。其中，批量傳輸、同步傳輸和中斷傳輸每傳輸一次數(shù)據(jù)都是一個(gè)事務(wù)，控制傳輸包括三個(gè)過(guò)程，建立過(guò)程和狀態(tài)過(guò)程分別是一個(gè)事務(wù)，數(shù)據(jù)過(guò)程則可能包含多個(gè)事務(wù)。
首先介紹幾個(gè)關(guān)鍵字：

• SOF： Start-of-(micro)Frame，是一個(gè)特殊的包，開(kāi)始幀（SOF）數(shù)據(jù)包由主機(jī)以全速總線每1.00毫秒±0.0005毫秒和高速總線125微秒±0.0625微秒的標(biāo)稱(chēng)速率發(fā)出。 SOF數(shù)據(jù)包由一個(gè)PID指示數(shù)據(jù)包類(lèi)型，后面跟著一個(gè)11位幀數(shù)字段，如下圖所示：
  
  ??SOF令牌包括僅用于令牌的事務(wù)處理，其以對(duì)應(yīng)于每個(gè)幀的開(kāi)始的精確時(shí)間間隔來(lái)分配SOF標(biāo)記和伴隨幀號(hào)。 所有高速和全速功能（包括集線器）都會(huì)收到SOF數(shù)據(jù)包。 SOF令牌不會(huì)導(dǎo)致任何接收函數(shù)生成返回?cái)?shù)據(jù)包; 因此，SOF交付給任何給定的功能不能得到保證。
• EOF： End-of-(micro)Frame，是一種電平狀態(tài)
• SOP： Start-of-Packet，定義為從IDLE狀態(tài)切換到K狀態(tài)的電平變化
• EOP： End-of-Packet，定義為持續(xù)2位時(shí)間的 SE0 信號(hào)，后跟隨1位時(shí)間的J狀態(tài)的電平變化
• 端點(diǎn)(Endpoint)： 位于USB設(shè)備或主機(jī)上的一個(gè)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，是USB設(shè)備中可以進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)的最小單元，支持單向或者雙向的數(shù)據(jù)傳輸，用來(lái)存放和發(fā)送USB的各種數(shù)據(jù)，每一個(gè)端點(diǎn)都有惟一的確定地址，有不同的傳輸特性(如輸入端點(diǎn)、輸出端點(diǎn)、配置端點(diǎn)、批量傳輸端點(diǎn))。設(shè)備支持端點(diǎn)的數(shù)量是有限制的，除默認(rèn)端點(diǎn)外低速設(shè)備最多支持2組端點(diǎn)(2 個(gè)輸入，2 個(gè)輸出)，高速和全速設(shè)備最多支持15組端點(diǎn)。按照USB協(xié)議棧的層次劃分：
  ??一個(gè) Host 可能有一個(gè)或者多個(gè) Device
  ??一個(gè) Device 可能有一個(gè)或者多個(gè) Interface
  ??一個(gè) Interface 可能有一個(gè)或者多個(gè) Endpoint
• 幀： 時(shí)間概念，在USB中，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，它是一個(gè)獨(dú)立的單元，包含了一系列總線動(dòng)作，USB將1幀分為好幾份，每一份是一個(gè)USB的傳輸動(dòng)作。
  ??幀的起始由一個(gè)特定的包（SOF 包）表示，幀尾為 EOF。EOF不是一個(gè)包，而是一種電平狀態(tài)，EOF期間不允許有數(shù)據(jù)傳輸。 具體見(jiàn)上一節(jié)的信號(hào)電平。
  

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(hào)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(hào)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(hào)沒(méi)有使用，因此其幀編號(hào)的增加周期也為 1mS。

域（Field）

??域一個(gè)包被分為不同域，域是USB數(shù)據(jù)最小的單位，由若干位組成(多少位由具體的域決定)。根據(jù)不同類(lèi)型的包，所包含的域是不一樣的。但都要 以同步域SYNC開(kāi)始 ，緊跟一個(gè)包標(biāo)識(shí)符PID ，最終 以包結(jié)束符EOP 來(lái)結(jié)束這個(gè)包。

• 同步域(SYNC)： 所有的USB包都由SYNC開(kāi)始，高速包的SYNC寬度為32bit，全速/低速包的SYNC段度為8bit。實(shí)際接收到的SYNC長(zhǎng)度由于USB HUB的關(guān)系，可能會(huì)小于該值。八位的值固定為0000 0001，用于本地時(shí)鐘與輸入同步。
• 標(biāo)識(shí)域(PID)： PID是用來(lái)標(biāo)識(shí)一個(gè)包的類(lèi)型的。它共有8位，只使用4（PID0 ~ PID3），另外4位是PID0 ~ PID3的取反，用來(lái)校驗(yàn)PID。PID規(guī)定了四類(lèi)包：令牌包、數(shù)據(jù)包、握手包和特殊包。同類(lèi)的包又各分為具體的四種包。
  

僅在幀首傳輸一次 SOF 包

• 地址域(ADDR)： 地址共占11位，其中低7位是設(shè)備地址，高4位是端點(diǎn)地址。
  
  • 地址域： 七位地址，代表了設(shè)備在主機(jī)上的地址，地址 000 0000 被命名為零地址，是任何設(shè)備第一次連接到主機(jī)時(shí)，在被主機(jī)配置、枚舉前的默認(rèn)地址，由此可以知道為什么一個(gè)USB主機(jī)只能接127個(gè)設(shè)備的原因。
  • 端點(diǎn)域(ENDP)： 四位，由此可知一個(gè)USB設(shè)備端點(diǎn)數(shù)量最大為16個(gè)。
• 幀號(hào)： 占11位，主機(jī)每發(fā)出一個(gè)幀，幀號(hào)都會(huì)自加1，當(dāng)幀號(hào)達(dá)到 0x7FF 時(shí)，將歸零重新開(kāi)始計(jì)數(shù)。幀號(hào)域最大容量0x800，對(duì)于同步傳輸有重要意義。
• 數(shù)據(jù)： 根據(jù)傳輸類(lèi)型的不同，數(shù)據(jù)域的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度從0到1024字節(jié)不等。
  
• CRC： 對(duì)令牌包和數(shù)據(jù)包中非PID域進(jìn)行校驗(yàn)的一種方法，CRC校驗(yàn)在通訊中應(yīng)用很泛，是一種很好的校驗(yàn)方法，CRC碼的除法是模2運(yùn)算，不同于10進(jìn)制中的除法。
• Token CRCs
  ??對(duì)于令牌（Token）使用5位CRC。涵蓋了IN，SETUP和OUT令牌的ADDR和ENDP字段 或 SOF令牌的時(shí)間戳字段。 PING和SPLIT特殊令牌也包括一個(gè)五位CRC字段。生成多項(xiàng)式如下：$‘G(X)=X^5+X^2+1$。
  ??表示這個(gè)多項(xiàng)式的二進(jìn)制位模式是00101B。 如果所有令牌比特都沒(méi)有錯(cuò)誤地被接收到，則接收器處的五比特殘差將是01100B。
• Data CRCs
  ??數(shù)據(jù)CRC是應(yīng)用在數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)字段上的16位多項(xiàng)式。 生成多項(xiàng)式是：$G(X)=X^{16}+X^{15}+X^2+1$
  ??表示這個(gè)多項(xiàng)式的二進(jìn)制位模式是1000000000000101B。 如果接收到的所有數(shù)據(jù)和CRC位都沒(méi)有錯(cuò)誤，則16位殘差將為1000000000001101B。

包（Packet）

??包（Packet）是USB系統(tǒng)中信息傳輸?shù)幕締卧?#xff0c;所有數(shù)據(jù)都是經(jīng)過(guò)打包后在總線上傳輸?shù)摹?br /> ??包是USB總線上數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖钚挝?#xff0c;不能被打斷或干擾，否則會(huì)引發(fā)錯(cuò)誤。若干個(gè)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€(gè)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。
??由域構(gòu)成的包有四種類(lèi)型，分別是令牌包、數(shù)據(jù)包、握手包和特殊包，前面三種是重要的包，不同包的域結(jié)構(gòu)不同，介紹如下：

• 令牌包： 分為輸入包、輸出包、設(shè)置包和幀起始包（注意這里的輸入包是用于設(shè)置輸入命令的，輸出包是用來(lái)設(shè)置輸出命令的，而不是放數(shù)據(jù)的）其中輸入包、輸出包和設(shè)置包的格式都是一樣的：
  SYNC + PID + （ADDR + ENDP） + CRC5(五位的校驗(yàn)碼)
  
  幀起始包的格式：
  SYNC + PID + 11位FRAM + CRC5(五位的校驗(yàn)碼)
  
  • 輸出（OUT）令牌包：用來(lái)通知設(shè)備將要輸出一個(gè)數(shù)據(jù)包
  • 輸入（IN）令牌包：用來(lái)通知設(shè)備返回一個(gè)數(shù)據(jù)包
  • 建立（SETUP）令牌包：只用在控制傳輸中，和輸出令牌包作用一樣，也是通知設(shè)備將要輸出一個(gè)數(shù)據(jù)包。
  • 幀起始包：在每幀（或微幀）開(kāi)始時(shí)發(fā)送，以廣播的形式發(fā)送，所有USB全速設(shè)備和高速設(shè)備都可以接收到SOF包。
• 數(shù)據(jù)包： 分為DATA0包和DATA1包。當(dāng)USB發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)候，如果一次發(fā)送的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度大于相應(yīng)端點(diǎn)的容量時(shí)，就需要把數(shù)據(jù)包分為好幾個(gè)包，分批發(fā)送，DATA0 包和DATA1 包交替發(fā)送，即如果第一個(gè)數(shù)據(jù)包是DATA0，那第二個(gè)數(shù)據(jù)包就是DATA1。但也有例外情況，在同步傳輸中(四類(lèi)傳輸類(lèi)型中之一)，所有的數(shù)據(jù)包都是為 DATA0，格式如下：
  SYNC + PID + 0~1024字節(jié) + CRC16
  

低速設(shè)備允許的最大數(shù)據(jù)有效載荷大小為8個(gè)字節(jié)。 全速設(shè)備的最大數(shù)據(jù)有效載荷大小為1023.高速設(shè)備的最大數(shù)據(jù)有效載荷大小為1024個(gè)字節(jié)。

• 握手包： 握手包包括 ACK、NAK、STALL以及NYET 四種，其中
• ACK 表示肯定的應(yīng)答，成功的數(shù)據(jù)傳輸。對(duì)于IN事務(wù)，它將由host發(fā)出；對(duì)于OUT、SETUP和PING事務(wù)，它將由device發(fā)出。
• NAK 表示否定的應(yīng)答，失敗的數(shù)據(jù)傳輸，要求重新傳輸。在數(shù)據(jù)階段，對(duì)于IN事務(wù)，它將由device發(fā)出；在握手階段，對(duì)于OUT和PING事務(wù)，它也將由device發(fā)出；host從不發(fā)送NAK包。
• STALL表示功能錯(cuò)誤或端點(diǎn)被設(shè)置了STALL屬性。
• NYET表示尚未準(zhǔn)備好，要求等待。結(jié)構(gòu)最為簡(jiǎn)單的包，格式如下：SYNC + PID
  

事務(wù)（Transaction）

?? 在USB上數(shù)據(jù)信息的一次接收或發(fā)送的處理過(guò)程稱(chēng)為事務(wù)處理（Transaction），分別有IN、OUT和SETUP三大事務(wù)。一個(gè)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)。可能由如下包組成：

• 一個(gè)token packet
• 可選的data pcket
• 可選的handshake packet
• 可選的special packet

事務(wù)的三種類(lèi)型如下(以下按三個(gè)階段來(lái)說(shuō)明一個(gè)事務(wù))：

IN事務(wù)

?? 表示USB主機(jī)從總線上的某個(gè)USB設(shè)備接收一個(gè)數(shù)據(jù)包的過(guò)程。
令牌包階段——主機(jī)發(fā)送一個(gè)PID為IN的輸入包給設(shè)備，通知設(shè)備要往主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)；
數(shù)據(jù)包階段——設(shè)備根據(jù)情況會(huì)作出三種反應(yīng)(要注意：數(shù)據(jù)包階段也不總是傳送數(shù)據(jù)的，根據(jù)傳輸情況還會(huì)提前進(jìn)入握手包階段)。

• 【正常】的輸入事務(wù)處理：設(shè)備往主機(jī)里面發(fā)出數(shù)據(jù)包(DATA0與DATA1交替)
  
• 【設(shè)備忙】時(shí)的輸入事務(wù)處理：無(wú)法往主機(jī)發(fā)出數(shù)據(jù)包就發(fā)送NAK無(wú)效包，IN事務(wù)提前結(jié)束，到了下一個(gè)IN事務(wù)才繼續(xù)；
  
• 【設(shè)備出錯(cuò)】時(shí)的輸入事務(wù)處理：發(fā)送錯(cuò)誤包STALL包，事務(wù)也就提前結(jié)束了，總線進(jìn)入空閑狀態(tài)。
  
  握手包階段——主機(jī)正確接收到數(shù)據(jù)之后就會(huì)向設(shè)備發(fā)送ACK包。

OUT 事務(wù)

??輸出事務(wù)處理：表示USB主機(jī)把一個(gè)數(shù)據(jù)包輸出到總線上的某個(gè)USB設(shè)備接收的過(guò)程。
令牌包階段——主機(jī)發(fā)送一個(gè)PID為OUT的輸出包給設(shè)備，通知設(shè)備要接收數(shù)據(jù)；
數(shù)據(jù)包階段——比較簡(jiǎn)單，就是主機(jī)會(huì)往設(shè)備送數(shù)據(jù)，DATA0與DATA1交替
握手包階段——設(shè)備根據(jù)情況會(huì)作出三種反應(yīng)

• 【正常】的輸出事務(wù)處理：設(shè)備給主機(jī)返回ACK，通知主機(jī)可以發(fā)送新的數(shù)據(jù)，如果數(shù)據(jù)包發(fā)生了CRC校驗(yàn)錯(cuò)誤，將不返回任何握手信息；
  
• 【設(shè)備忙時(shí)】的輸出事務(wù)處理：無(wú)法給主機(jī)返回ACK，就發(fā)送NAK無(wú)效包，通知主機(jī)再次發(fā)送數(shù)據(jù)
  
• 【設(shè)備出錯(cuò)】的輸出事務(wù)處理：發(fā)送錯(cuò)誤包STALL包，事務(wù)提前結(jié)束，總線直接進(jìn)入空閑狀態(tài)
  

SETUT 事務(wù)

令牌包階段——主機(jī)發(fā)送一個(gè)PID為SETUP的輸出包給設(shè)備，通知設(shè)備要接收數(shù)據(jù)；
數(shù)據(jù)包階段——比較簡(jiǎn)單，就是主機(jī)往設(shè)備送數(shù)據(jù)，注意，這里只有一個(gè)固定為8個(gè)字節(jié)的DATA0包，這8個(gè)字節(jié)的內(nèi)容就是標(biāo)準(zhǔn)的USB設(shè)備請(qǐng)求命令。
握手包階段——設(shè)備接收到主機(jī)的命令信息后，返回ACK，此后總線進(jìn)入空閑狀態(tài)，并準(zhǔn)備下一個(gè)傳輸(在SETUP事務(wù)后通常是一個(gè)IN或OUT事務(wù)構(gòu)成的傳輸)。

• 【正常】的設(shè)置事務(wù)處理
  
• 【設(shè)備忙時(shí)】的設(shè)置事務(wù)處理
  
• 【設(shè)備出錯(cuò)】的設(shè)置事務(wù)處理
  

傳輸（Transfers）

??以下部分主要根據(jù) USB 2.0 規(guī)范的第五章和第八章 。USB系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)傳輸，宏觀看是在HOST和USB功能設(shè)備之間進(jìn)行。微觀看是在應(yīng)用軟件的Buffer和USB功能設(shè)備的端點(diǎn)之間進(jìn)行。一般來(lái)說(shuō)端點(diǎn)都有Buffer，可以認(rèn)為USB通訊就是應(yīng)用軟件Buffer和設(shè)備端點(diǎn)Buffer之間的數(shù)據(jù)交換，交換的通道稱(chēng)為管道。通常需要多個(gè)管道來(lái)完成數(shù)據(jù)交換，因?yàn)橥还艿乐恢С忠环N類(lèi)型的數(shù)據(jù)傳輸。用在一起來(lái)對(duì)設(shè)備進(jìn)行控制的若干管道稱(chēng)為設(shè)備的接口，這就是端點(diǎn)、管道和接口的關(guān)系。Host與Device之間的通信視圖如下：

??USB 采用“令牌包”-“數(shù)據(jù)包”-“握手包”的傳輸機(jī)制，在令牌包中指定數(shù)據(jù)包去向或者來(lái)源的設(shè)備地址和端點(diǎn)(Endpoint)，從而保證了只有一個(gè)設(shè)備對(duì)被廣播的數(shù)據(jù)包/令牌包作出響應(yīng)。握手包表示了傳輸?shù)某晒εc否。
??USB 采用輪詢(xún)的廣播機(jī)制傳輸數(shù)據(jù)，所有的傳輸都由主機(jī)發(fā)起，任何時(shí)刻整個(gè) USB 體系內(nèi)僅允許一個(gè)數(shù)據(jù)包的傳輸，即不同物理傳輸線上看到的數(shù)據(jù)包都是同一被廣播的數(shù)據(jù)包。
??各種傳輸類(lèi)型下，對(duì)于包長(zhǎng)、速率限制如下：

??傳輸由OUT、IN和SETUP事務(wù)構(gòu)成，傳輸有四種類(lèi)型，中斷傳輸、批量傳輸、同步傳輸、控制傳輸，其中中斷傳輸和批量傳輸?shù)慕Y(jié)構(gòu)一樣，同步傳輸有最簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，而控制傳輸是最重要的也是最復(fù)雜的傳輸。

控制傳輸（Control Transfers）

??控制傳輸是一種可靠的雙向傳輸，是最重要也是最復(fù)雜的。一次控制傳輸分為三(或兩個(gè))個(gè)階段：建立(Setup)、數(shù)據(jù)(DATA)(可能沒(méi)有)以及狀態(tài)(Status)。每個(gè)階段都由一次或多次(數(shù)據(jù)階段)事務(wù)傳輸組成(Transaction)。在USB設(shè)備初次接到主機(jī)后，主機(jī)通過(guò)控制傳輸來(lái)交換信息、設(shè)備地址和讀取設(shè)備的描述符，使得主機(jī)識(shí)別設(shè)備，并安裝相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序，這是每一個(gè)USB開(kāi)發(fā)者都要關(guān)心的問(wèn)題。
??控制傳輸是雙向的傳輸，必須有IN和OUT兩個(gè)方向上的特定端點(diǎn)號(hào)的控制端點(diǎn)來(lái)完成兩個(gè)方向上的控制傳輸

• 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(gè)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Data Stage中IN或OUT的data包個(gè)數(shù)，及發(fā)送方向，在Setup Stage已經(jīng)被設(shè)定)。
  ??建立階段，Device 只能返回ACK包，或者不返回任何包。
  

• 數(shù)據(jù)階段： 數(shù)據(jù)過(guò)程是可選的。一個(gè)數(shù)據(jù)過(guò)程包含一筆或者多筆數(shù)據(jù)事務(wù)。數(shù)據(jù)過(guò)程的第一個(gè)數(shù)據(jù)包必須是DATA1包，然后每次正確傳輸一個(gè)數(shù)據(jù)包就在DATA0和DATA1之間交替。
  
  根據(jù)數(shù)據(jù)階段的數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆较?#xff0c;控制傳輸又可分為3種類(lèi)型：

• 控制讀取（讀取USB描述符）： 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(guò)程如上圖的【Control Read】所示。對(duì)每一個(gè)數(shù)據(jù)信息包而言，首先，主機(jī)會(huì)發(fā)送一個(gè)IN令牌信息包，表示要讀數(shù)據(jù)進(jìn)來(lái)。然后，設(shè)備將數(shù)據(jù)通過(guò)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(shí)，主機(jī)送出ACK令牌信息包；當(dāng)主機(jī)正在忙碌時(shí)，發(fā)出NAK握手信息包；當(dāng)發(fā)生了錯(cuò)誤時(shí)，主機(jī)發(fā)出STALL握手信息包。

• 控制寫(xiě)入（配置USB設(shè)備）： 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(duì)USB設(shè)備的配置信息，該過(guò)程如上圖的【Control Wirte】所示。對(duì)每一個(gè)數(shù)據(jù)信息包而言，主機(jī)將會(huì)送出一個(gè)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(guò)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(shí)，設(shè)備送出ACK令牌信息包；當(dāng)設(shè)備正在忙碌時(shí)，設(shè)備發(fā)出NAK握手信息包；當(dāng)發(fā)生了錯(cuò)誤時(shí)，設(shè)備發(fā)出STALL握手信息包。

• 無(wú)數(shù)據(jù)控制： 如上圖

• 狀態(tài)階段： 用來(lái)表示整個(gè)傳輸?shù)倪^(guò)程已完全結(jié)束。通過(guò)一次IN/OUT傳輸表明請(qǐng)求是否成功完成。
  ??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(lái)是IN令牌封包，這個(gè)階段應(yīng)為OUT令牌封包；反之，原來(lái)是OUT令牌封包，這個(gè)階段應(yīng)為IN令牌封包。
  ??對(duì)于【控制讀取】而言，主機(jī)會(huì)送出OUT令牌封包，其后再跟著0長(zhǎng)度的DATA1封包。而此時(shí)，設(shè)備也會(huì)做出相對(duì)應(yīng)的動(dòng)作，送ACK握手封包、NAK握手封包或STALL握手封包。
  ??相對(duì)地對(duì)于【控制寫(xiě)入】傳輸，主機(jī)會(huì)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(zhǎng)度的DATA1封包，主機(jī)再做出相對(duì)應(yīng)的動(dòng)作：送ACK握手封包、NAK握手封包或STALL握手封包。

??控制傳輸通過(guò)控制管道在應(yīng)用軟件和Device的控制端點(diǎn)之間進(jìn)行，控制傳輸過(guò)程中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是有格式定義的，USB 設(shè)備或主機(jī)可根據(jù)格式定義解析獲得的數(shù)據(jù)含義。其他三種傳輸類(lèi)型都沒(méi)有格式定義。控制傳輸對(duì)于最大包長(zhǎng)度有固定的要求。對(duì)于高速設(shè)備該值為64Byte，對(duì)于低速設(shè)備該值為8，全速設(shè)備可以是8或16或32或64。
??最大包長(zhǎng)度表征了一個(gè)端點(diǎn)單次接收/發(fā)送數(shù)據(jù)的能力，實(shí)際上反應(yīng)的是該端點(diǎn)對(duì)應(yīng)Buffer的大小。Buffer越大，單次可接收/發(fā)送的數(shù)據(jù)包越大，反之亦反。當(dāng)通過(guò)一個(gè)端點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，若數(shù)據(jù)的大小超過(guò)該端點(diǎn)的最大包長(zhǎng)度時(shí)，需要將數(shù)據(jù)分成若干個(gè)數(shù)據(jù)包傳輸。并保證除最后一個(gè)包外，所有的包長(zhǎng)度均等于該最大包長(zhǎng)度。這也就是說(shuō)如果一個(gè)端點(diǎn)收到/發(fā)送了一個(gè)長(zhǎng)度小于最大包長(zhǎng)度的包，即意味著數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束。

??控制傳輸在訪問(wèn)總線時(shí)也受到一些限制,如高速端點(diǎn)的控制傳輸不能占用超過(guò) 20%的微幀，全速和低速的則不能超過(guò) 10%。在一幀內(nèi)如果有多余的未用時(shí)間，并且沒(méi)有同步和中斷傳輸，可以用來(lái)進(jìn)行控制傳輸。

??與批量傳輸相比，在流程上并沒(méi)有多大區(qū)別，區(qū)別只在于該事務(wù)傳輸發(fā)生的端點(diǎn)不一樣、支持的最大包長(zhǎng)度不一樣、優(yōu)先級(jí)不一樣等這樣一些對(duì)用戶(hù)來(lái)說(shuō)透明的東西。

中斷傳輸（Interrupt Transfers）

??中斷傳輸是一種輪詢(xún)的傳輸方式，是一種單向的傳輸。HOST通過(guò)固定的間隔對(duì)中斷端點(diǎn)進(jìn)行查詢(xún)，若有數(shù)據(jù)傳輸或可以接收數(shù)據(jù)則返回?cái)?shù)據(jù)或發(fā)送數(shù)據(jù)。否則返回NAK，表示尚未準(zhǔn)備好。中斷傳輸?shù)难舆t有保證，但并非實(shí)時(shí)傳輸，它是一種延遲有限的可靠傳輸，支持錯(cuò)誤重傳。對(duì)于高速/全速/低速端點(diǎn)，最大包長(zhǎng)度分別可以達(dá)到1024/64/8 Bytes。 高速中斷傳輸不得占用超過(guò) 80%的微幀時(shí)間，全速和低速不得超過(guò)90%。 中斷端點(diǎn)的輪詢(xún)間隔由在端點(diǎn)描述符中定義，全速端點(diǎn)的輪詢(xún)間隔可以是1 ~ 255mS。低速端點(diǎn)為10 ~ 255mS，高速端點(diǎn)為(2interval-1)*125uS，其中 interval 取 1到 16 之間的值。
??除高速高帶寬中斷端點(diǎn)外，一個(gè)微幀內(nèi)僅允許一次中斷事務(wù)傳輸。高速高帶寬端點(diǎn)最多可以在一個(gè)微幀內(nèi)進(jìn)行三次中斷事務(wù)傳輸，傳輸高達(dá) 3072 字節(jié)的數(shù)據(jù)。
??所謂單向傳輸，并不是說(shuō)該傳輸只支持一個(gè)方向的傳輸。而是指在某個(gè)端點(diǎn)上該傳輸僅支持一個(gè)方向，或輸出、或輸入。如果需要在兩個(gè)方向上進(jìn)行某種單向傳輸，需要占用兩個(gè)端點(diǎn),分別配置成不同的方向。可以擁有相同的端點(diǎn)編號(hào)。
??中斷傳輸由OUT事務(wù)和IN事務(wù)構(gòu)成，用于鍵盤(pán)、鼠標(biāo)等HID設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸。
??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(zhǎng)度不一樣、優(yōu)先級(jí)不一樣等這樣一些對(duì)用戶(hù)來(lái)說(shuō)透明的東西。
??主機(jī)在排定中斷傳輸任務(wù)時(shí)，會(huì)根據(jù)對(duì)應(yīng)中斷端點(diǎn)描述符中指定的查詢(xún)間隔發(fā)起中斷傳輸。中斷傳輸有較高的優(yōu)先級(jí)，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(lái)保證收發(fā)端數(shù)據(jù)同步。
??中斷傳輸方式總是用于對(duì)設(shè)備的查詢(xún)，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)。
??下圖為中斷傳輸?shù)牧鞒虉D。

DATA0或DATA1中的包含的是中斷信息，而不是中斷數(shù)據(jù)

批量傳輸（Bulk Transfers）

??批量傳輸由OUT事務(wù)和IN事務(wù)構(gòu)成，是一種可靠的單向傳輸，但延遲沒(méi)有保證，它盡量利用可以利用的帶寬來(lái)完成傳輸，適合數(shù)據(jù)量比較大的傳輸。低速USB設(shè)備不支持批量傳輸，高速批量端點(diǎn)的最大包長(zhǎng)度為512，全速批量端點(diǎn)的最大包長(zhǎng)度可以為8、16、32、64。
??用于傳輸大量數(shù)據(jù)，要求傳輸不能出錯(cuò)，但對(duì)時(shí)間沒(méi)有要求，適用于打印機(jī)、存儲(chǔ)設(shè)備等
??批量傳輸在訪問(wèn)USB總線時(shí)，相對(duì)其他傳輸類(lèi)型具有最低的優(yōu)先級(jí)，USB HOST總是優(yōu)先安排其他類(lèi)型的傳輸，當(dāng)總線帶寬有富余時(shí)才安排批量傳輸。高速的批量端點(diǎn)必須支持PING操作，向主機(jī)報(bào)告端點(diǎn)的狀態(tài)。NYET表示否定應(yīng)答，沒(méi)有準(zhǔn)備好接收下一個(gè)數(shù)據(jù)包，ACK 表示肯定應(yīng)答，已經(jīng)準(zhǔn)備好接收下一個(gè)數(shù)據(jù)包。
??它通過(guò)在硬件級(jí)執(zhí)行“錯(cuò)誤檢測(cè)”和“重傳”來(lái)確保host與device之間“準(zhǔn)確無(wú)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

??上圖（USB2.0規(guī)范的8.5.2章節(jié)）中一個(gè)方框表示一個(gè) Packet，灰色的包表示主機(jī)發(fā)出的包，白色的包表示Device發(fā)出的包。***批量傳輸是可靠的傳輸，需要握手包來(lái)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(lái)完成全部數(shù)據(jù)的傳輸，傳輸過(guò)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。若成功則將錯(cuò)誤次數(shù)計(jì)數(shù)器清0，否則累加該計(jì)數(shù)器。

• For IN Token (即：IN Transaction)
• ACK: 表示host正確無(wú)誤地接收到數(shù)據(jù)
• NAK: 指示設(shè)備暫時(shí)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(cuò))
• For OUT Token (即：OUT Transaction)
  如果接收到的數(shù)據(jù)包有誤，如：CRC錯(cuò)誤，Device不發(fā)送任何handshake包
• ACK: Device已經(jīng)正確無(wú)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(gè)數(shù)據(jù)包
• NAK: Device 已經(jīng)正確無(wú)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(shí)狀況(如buffer滿(mǎn))
• STALL: 指示Device endpoint已經(jīng)停止，且通知Host不再重傳

??USB 允許連續(xù) 3次以下的傳輸錯(cuò)誤，錯(cuò)誤時(shí)會(huì)重試該傳輸，若成功則將錯(cuò)誤次數(shù)計(jì)數(shù)器清零，否則累加該計(jì)數(shù)器。超過(guò)三次后，HOST 認(rèn)為該端點(diǎn)功能錯(cuò)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。

??上圖（USB2.0規(guī)范的8.5.2章節(jié)）為批量讀寫(xiě)時(shí)數(shù)據(jù)位和PID的變化情況。主機(jī)總是使用配置事件將總線傳輸?shù)牡谝粋€(gè)事務(wù)初始化為 DATA0 PID。 第二個(gè)事務(wù)使用 DATA1 PID，并且在批量傳輸?shù)钠溆嗖糠种薪惶媸褂?DATA0 和 DATA1 傳輸數(shù)據(jù)。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(huì)導(dǎo)致PID翻轉(zhuǎn)，也就是說(shuō)發(fā)送段只有在接收到ACK后才會(huì)翻轉(zhuǎn)PID，發(fā)送下一個(gè)數(shù)據(jù)包，否則會(huì)重試本次事務(wù)傳輸。同樣，若在接收端發(fā)現(xiàn)接收到的數(shù)據(jù)包不是按照此順序翻轉(zhuǎn)的，比如連續(xù)收到兩個(gè)DATA0，那么接收端認(rèn)為第二個(gè)DATA0是前一個(gè)DATA0的重傳。

同步傳輸（Isochronous Transfers）

??同步傳輸是一種實(shí)時(shí)的、不可靠的傳輸，不支持錯(cuò)誤重發(fā)機(jī)制。只有高速和全速端點(diǎn)支持同步傳輸，高速同步端點(diǎn)的最大包長(zhǎng)度為1024，低速的為1023。由OUT事務(wù)和IN事務(wù)構(gòu)成。有兩個(gè)特殊地方，第一，在同步傳輸?shù)腎N和OUT事務(wù)中是沒(méi)有返回包階段的；第二，在數(shù)據(jù)包階段所有的數(shù)據(jù)包都為DATA0。
它由兩種包組成：

• token
• data

??同步傳輸不支持“handshake”和“重傳能力”，所以它是不可靠傳輸。
??同步傳輸適用于必須以固定速率抵達(dá)或在指定時(shí)刻抵達(dá)，可以容忍偶爾錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)上。實(shí)時(shí)傳輸一般用于麥克風(fēng)、喇叭、UVC Camera等設(shè)備。實(shí)時(shí)傳輸只需令牌與數(shù)據(jù)兩個(gè)信息包階段，沒(méi)有握手包，故數(shù)據(jù)傳錯(cuò)時(shí)不會(huì)重傳。
??除高速高帶寬同步端點(diǎn)外，一個(gè)微幀內(nèi)僅允許一次同步事務(wù)傳輸，高速高帶寬端點(diǎn)最多可以在一個(gè)微幀內(nèi)進(jìn)行三次同步事務(wù)傳輸，傳輸高達(dá) 3072 字節(jié)的數(shù)據(jù)。全速同步傳輸不得占用超過(guò) 80%的幀時(shí)間，高速同步傳輸不得占用超過(guò)90%的微幀時(shí)間。同步端點(diǎn)的訪問(wèn)也和中斷端點(diǎn)一樣,有固定的時(shí)間間隔限制。
??同步傳輸是不可靠的傳輸，所以它沒(méi)有握手包，也不支持PID翻轉(zhuǎn)。主機(jī)在排定事務(wù)傳輸時(shí)，同步傳輸有最高的優(yōu)先級(jí)。

分離傳輸(Split Transaction)

??分離傳輸是在主機(jī)控制器和USB HUB之間的傳輸，它僅在主機(jī)控制器和HUB之間執(zhí)行，通過(guò)分離傳輸，可以允許全速/低速設(shè)備連接到高速主機(jī)。分離傳輸對(duì)于USB設(shè)備來(lái)說(shuō)是透明的、不可見(jiàn)的。
??分離傳輸，顧名思義就是把一次完整的事務(wù)傳輸分成兩個(gè)事務(wù)傳輸來(lái)完成。其出發(fā)點(diǎn)是高速傳輸和全速/低速傳輸?shù)乃俣炔幌嗟?#xff0c;如果使用一次完整的事務(wù)來(lái)傳輸，勢(shì)必會(huì)造成比較長(zhǎng)的等待時(shí)間，從而降低了高速USB總線的利用率。通過(guò)將一次傳輸分成兩次，將令牌(和數(shù)據(jù))的傳輸與響應(yīng)數(shù)據(jù)(和握手)的傳輸分開(kāi)，這樣就可以在中間插入其他高速傳輸，從而提高總線的利用率。

參考

• Universal Serial Bus Specification Revision 2.0
• 國(guó)嵌相關(guān)資料

附件

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的USB 之一 USB2.0 规范详解 第一部分的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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