新手都能看懂的 USB 通信協(xié)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(chǎn)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(xié)議主要內容，新手都能看明白（當然，最好還是有一定通信協(xié)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(shù)據(jù)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(lián)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(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)?。?shù)據(jù)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(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？
USB包由五部分組成，即同步字段（SYNC）、包標識符字段（PID）、數(shù)據(jù)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)
1.2 Token Packets
PID 數(shù)據(jù)傳輸方向IN Device->HostOUT Host->DeviceSETUP Host->DevicePING 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；
1.5 Handshake Packets
-
ACK: 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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(tǒng)packet組成，具體由哪些packet組成，它取決于具體的事務?？赡苡扇缦掳M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(shù)據(jù)包的過程。-
【正常】的輸入事務處理
-
【設備忙】時的輸入事務處理
-
【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(shù)據(jù)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?
-
【設備忙時】的輸出事務處理
-
【設備出錯】的輸出事務處理
2.3 設置（SETUP）事務處理
-
【正常】的設置事務處理
-
【設備忙時】的設置事務處理
-
【設備出錯】的設置事務處理
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)
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(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)行一個設置（概念含糊）的數(shù)據(jù)交換，并定義此控制傳輸?shù)膬热?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?，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設備）
-
無數(shù)據(jù)控制
-
控制讀取
-
控制寫入
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(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果。若數(shù)據(jù)量比較大，將采用多次批量事務傳輸來完成全部數(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，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。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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)包，否則會重試本次事務傳輸。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(shù)據(jù)，即可靠傳輸。它由三種包組成(即IN事務或OUT事務)：-
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: 指示設備暫時不能返回或接收數(shù)據(jù) (如：設備忙)
-
STALL: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)
-
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
3.4 同步傳輸(Isochronous Transfer)
-
它由兩種包組成：
-
token
-
data
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