USB学习(2)：USB端点和传输协议(数据包、事物)详解

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接着上一篇文章USB学习(1)：USB基础之接口类型、协议标准、引脚分布、架构、时序和数据格式，继续介绍一下USB的相关知识。

1 USB端点(Endpoints)

1.1 基本知识

1.2 四种端点

(2)中断端点(Interrupt Endpoints)
主要用于需要使用高可靠性方法传输少量数据的设备，通常在人机界面设备(HID)中常见。它不是真正的中断，而是使用轮询，它可以保证主机以可预测的间隔检查数据。中断传输提供了准确性保证，因为错误会被正确检测，并在下一个事务中进行重试。在低速和全速设备上，中断传输具有90%的保证带宽，而在高速设备上为80%。这个带宽与等时端点共享。

中断端点的最大数据包大小取决于设备的速度。高速设备支持最大数据包大小为1024字节。全速设备支持最大数据包大小为64字节。低速设备支持最大数据包大小为8字节。

(3)批量端点(Bulk Endpoints)
用于批量传输，通常用于需要在不定的时间内传输相对大量数据的设备，其中传输可以使用任何可用的带宽空间。它是USB设备最常见的传输类型。批量传输的时间是可变的，取决于总线上有多少可用带宽，因为没有为传输设置预留的带宽。批量传输提供了准确性保证，因为错误会被正确检测，事务会被重新发送。批量传输在传输大量数据，但对传输时间不敏感的情况下非常有用。

批量端点的最大数据包大小取决于设备速度。高速设备支持的最大BULK数据包大小为512字节。全速设备支持的最大数据包大小为64字节。低速设备不支持批量传输类型。

(4)等时端点(Isochronous Endpoints)
用于等时传输，这是连续的、实时的传输，具有主机和设备事先协商好的带宽。等时传输必须支持容忍错误数据流，因为它们没有错误恢复机制或握手。错误通过CRC字段检测，但不会被更正。在等时传输中，需要权衡保证交付与保证准确性。音乐流或视频流是使用等时端点的应用示例，因为偶尔丢失的数据会被人类的耳朵和眼睛忽略。等时传输在低速和全速设备上有90%的保证带宽(高速设备为80%)，并与中断端点共享。

高速设备支持的最大数据包大小为1024字节。全速设备支持的最大数据包大小为1023字节。低速设备不支持等时传输类型。在等时传输中有特殊考虑因素。通常需要使用3倍的缓冲来确保数据准备就绪，包括一个正在主动传输的缓冲区，一个已加载并准备传输的缓冲区和一个正在主动加载的缓冲区。

2 传输协议

USB通信包含一系列的帧。每一帧包含一个起始帧(Start of Frame,SOF），然后是一个或多个事务(transaction)。每个事务由一系列数据包(packet)组成。每个数据包以一个同步模式(SYNC)开始，并以“数据包结束”(End of Packet,EOP)模式结束。在最基本的情况下，一个事务包括一个令牌数据包(token packet)。根据具体的事务类型，可能还会有一个或多个数据数据包，而有些事务还可能有握手数据包。如下图所示：

事务是数据包的交互过程，它由三种不同类型的数据包组成：令牌数据包、数据数据包(可选)和握手数据包。事务被放置在帧内，不会被拆分到不同帧中(除非是高速等时传输的情况)，也不会在其他事务中间中断。下图显示了一个事务的块状图示：

不同类型的数据包包含不同的信息，以下是可能包含在数据包中的信息：

• 数据包标识(PID) ：(8位：4位类型标识位和4位错误检查位)。这些位声明了一个事务是IN(输入)/OUT(输出)/SETUP(设置)/SOF(帧起始)之一。
• 设备地址(可选)：(7位：最多127个设备)。
• 端点地址(可选) ：(4位：最多16个端点)。USB规范支持最多32个端点。虽然4位能提供最大值为16，但我们可以通过使用一个IN PID、一个介于1到16之间的端点地址和一个OUT PID和一个介于1到16之间的端点地址，实现16+16=32个端点。
  • 注意：端点地址(实际用于数据传输的端点的地址标识)和端点编号(端点编号是用于在设备描述和配置中进行标识的逻辑标识符)的区别。
• 有效数据(可选) ：(0到1023字节)。
• CRC(可选)：(5位或16位)。

2.1 数据包类型

除了PID(数据包标识)之外，数据包中的所有内容都是可选的。上图可以代表四种数据包类型，

2.1.1 令牌数据包(Token packets)

• 用于启动事务、识别参与事务的设备、始终由主机发出

令牌数据包始终来自主机，用于指导总线上的数据流向。令牌数据包的功能取决于执行的活动。

• IN令牌：用于请求设备将数据发送到主机
• OUT令牌：用于发送主机的数据
• SETUP令牌：用于发送主机的命令
• SOF令牌：用于标记时间帧

• SOF数据包不会触发握手数据包的发送
• High-Speed USB引入了微帧，每125微秒发送一个SOF，而帧计数仅在每1毫秒递增一次。

2.1.2 数据数据包(Data packets)

• 用于传递有效载荷(payload)数据、由主机或设备发送

2.1.3 握手数据包(Handshake packets)

• 用于确认接收到无错误的数据

握手数据包意味着每个事务的结束。每个握手数据包包括一个8位数据包标识，并由事务的接收方发送。不同的USB速度所支持的握手数据包不同：

• ACK(低速/全速/高速)：确认成功完成
• NAK(低速/全速/高速)：否定确认
• STALL(低速/全速/高速)：由设备发送的错误指示
• NYET(仅高速)：表示设备尚未准备好接收另一个数据包
  
  

2.1.4 特殊数据包(Special packets)

• 有助于处理不同的传输速度差异(如主机是USB3.0，设备为USB2.0)、由主机发送到USB集线器

USB规范定义了四种特殊数据包：

• PRE：由主机发送给集线器，表示接下来的数据包是低速的
• SPLIT(仅高速)：在令牌数据包之前，用于指示分裂事务
• ERR(仅高速)：由集线器返回，用于报告分裂事务(一种特殊的USB传输方式：将一个USB事务分成两个独立的部分，其中一个部分在主机和集线器之间进行，而另一个部分在集线器和设备之间进行)中的错误
• PING(仅高速)：在收到NYET握手后，用于检查Bulk OUT(大容量数据传输)或Control Write(发送命令或配置参数到USB设备的一种传输类型)的状态
  
  

2.2 事务类型

USB转换是数据从主机到设备或从设备到主机的方式。有几种不同的事务类型，它们通常使用不同的名称来表示相同的概念。这三种不同的事务类型如下：

2.2.1 IN/Read/Upstream事务

2.2.2 OUT/Write/Downstream事务

OUT、Write和Downstream都是从主机到设备的事务。在这种类型的事务中，主机发送适当的令牌包(OUT或SETUP)，然后跟随一个或多个数据包。接收设备通过发送适当的握手包来结束事务。如下图所示，主机的事务为白色方框，来自设备的事务为黑色方框。

如下图所示，主机发送了OUT令牌包和一个DATA0数据包，但从设备接收到NAK。主机随后重试发送数据。注意，从握手收到NAK以来，数据切换位未发生变化。在下一次尝试发送数据时，设备以ACK确认，表示OUT事务成功完成。

2.2.3 控制事务