USB通信協(xié)議深入理解
0. 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【主機軟件】與【USB設(shè)備特定的端點】間被傳輸。【主機軟件】與【USB設(shè)備特定的端點】間的關(guān)聯(lián)叫做【pipes】。一個USB設(shè)備可以有多個管道(pipes)。
1. 包(Packet)
包(Packet)是USB系統(tǒng)中信息傳輸?shù)幕締卧袛?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，因為在高速USB系統(tǒng)中，SOF包中幀編號實際上取得是計數(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)淖钚挝唬荒鼙淮驍嗷蚋蓴_，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)冗余校驗字段(CRC)和包結(jié)尾字段(EOP)，包的基本格式如下圖：
1.1 PID類型(即包類型)
1.2 Token Packets
此格式適用于IN、OUT、SETUP、PING。
PID 數(shù)據(jù)傳輸方向
IN Device->Host
OUT Host->Device
SETUP Host->Device
PING Device->Host
1.3 Start-of-Frame(SOF) Packets
SOF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;
SOF包構(gòu)成如下圖所示
1.4 Data Packets
有四種類類型的數(shù)據(jù)包：DATA0, DATA1, DATA2,and MDATA，且由PID來區(qū)分。DATA0和DATA1被定義為支持?jǐn)?shù)據(jù)切換同步(data toggle synchronization)。
1.5 Handshake Packets
ACK: 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。
2. 事務(wù)(Transaction)
在USB上數(shù)據(jù)信息的一次接收或發(fā)送的處理過程稱為事務(wù)處理(Transaction)即：The delivery of service to an endpoint。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)。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 packet
2.1 輸入(IN)事務(wù)處理
輸入事務(wù)處理：表示USB主機從總線上的某個USB設(shè)備接收一個數(shù)據(jù)包的過程。
【正常】的輸入事務(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
2.2. 輸出(OUT)事務(wù)處理
輸出事務(wù)處理：表示USB主機把一個數(shù)據(jù)包輸出到總線上的某個USB設(shè)備接收的過程。
【正常】的輸出事務(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
2.3 設(shè)置(SETUP)事務(wù)處理
【正常】的設(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
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)
- 中斷傳輸 (Interrupt Transfer)
- 批量傳輸 (Bulk Transfer)
- 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)
- 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)。
控制數(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control transfer實現(xiàn)具體的功能，數(shù)據(jù)傳輸是不可丟失的。
3.1.1 建立階段
主機從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Data Stage中IN或OUT的data包個數(shù)，及發(fā)送方向，在Setup Stage已經(jīng)被設(shè)定)。
3.1.2 數(shù)據(jù)階段
根據(jù)數(shù)據(jù)階段的數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆较颍刂苽鬏斢挚煞譃?種類型：
- 控制讀取(讀取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)備讀到主機上，讀取的數(shù)據(jù)USB設(shè)備描述符。該過程如下圖的【Control Read】所示。對每一個數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)進來。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。最后，主機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，主機送出ACK令牌信息包;當(dāng)主機正在忙碌時，發(fā)出NAK握手信息包;當(dāng)發(fā)生了錯誤時，主機發(fā)出STALL握手信息包。
- 控制寫入
是將數(shù)據(jù)從主機傳到設(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【Control Wirte】所示。對每一個數(shù)據(jù)信息包而言，主機將會送出一個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。
3.1.3 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。
3.2 批量傳輸 (Bulk Transfer)
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、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)計數(shù)器清零，否則累加該計數(shù)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(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
For IN Token (即：IN Transaction)
- 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)備永遠停止，需要host軟件的干預(yù) (如：設(shè)備出錯)
For OUT Token (即：OUT Transaction)
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Device endpoint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。
3.3 中斷傳輸(Interrupt Transfer)
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(wù)時，會根據(jù)對應(yīng)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(zhuǎn)的機制來保證收發(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。
DATA0或DATA1中的包含的是中斷信息，而不是中斷數(shù)據(jù)。
3.4 同步傳輸(Isochronous Transfer)
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。
同步傳輸是不可靠的傳輸，所以它沒有握手包，也不支持PID翻轉(zhuǎn)。主機在排定事務(wù)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(shù)據(jù)上。實時傳輸一般用于麥 克風(fēng)、喇叭、UVC Camera等設(shè)備。實時傳輸只需令牌與數(shù)據(jù)兩個信息包階段，沒有握手包，故數(shù)據(jù)傳錯時不會重傳。
