1 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。【主機軟件】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,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 1mS
USB總線上的情形是怎樣的?
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,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、循環冗余校驗字段(CRC)和包結尾字段(EOP),包的基本格式如下圖:
2.1 PID類型(即包類型)
2.2 Token Packets
此格式適用于IN、OUT、SETUP、PING。
PID 數據傳輸方向
IN Device->Host
OUT Host->Device
SETUP Host->Device
PING Device->Host
2.3 Start-of-Frame(SOF) Packets
SOF包由Host發送給Device。
對于full-speed總線,每隔1.00 ms ±0.0005 ms發送一次;
對于high-speed總線,每隔125 μs ±0.0625 μs發送一次;
SOF包構成如下圖所示
2.4 Data Packets
有四種類類型的數據包:DATA0, DATA1, DATA2,and MDATA,且由PID來區分。DATA0和DATA1被定義為支持數據切換同步(data toggle synchronization)。
2.5 Handshake Packets
ACK: 對于IN事務,它將由host發出;對于OUT、SETUP和PING事務,它將由device發出。
NAK: 在數據階段,對于IN事務,它將由device發出;在握手階段,對于OUT和PING事務,它也將由device發出;host從不發送NAK包。
3.事務(Transaction)
在USB上數據信息的一次接收或發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 packet
3.1 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
3.2. 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。
【正常】的輸出事務處理
【設備忙時】的輸出事務處理
【設備出錯】的輸出事務處理
3.3 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
4.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)
4.1 控制傳輸 (Control Transfer)
控制傳輸由2~3個階段組成:
建立階段(Setup)
數據階段(無數據控制沒有此階段)(DATA)
狀態階段(Status)
每個階段都由一次或多次(數據階段)事務傳輸組成(Transaction)。
控制數據由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。
4.1.1 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,及發送方向,在Setup Stage已經被設定)。
4.1.2 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:
控制讀取(讀取USB描述符)
控制寫入(配置USB設備)
無數據控制
數據傳輸階段:用來傳輸主機與設備之間的數據。
控制讀取
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,發出NAK握手信息包;當發生了錯誤時,主機發出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,設備發出NAK握手信息包;當發生了錯誤時,設備發出STALL握手信息包。
4.1.3 狀態階段
狀態階段:用來表示整個傳輸的過程已完全結束。
狀態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。
4.2 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,以保證發送端和接收端的同步。
USB 允許連續 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:發送端按照 DATA0-DATA1-DATA0-…的順序發送數據包,只有成功的事務傳輸才會導致 PID 翻轉,也就是說發送端只有在接收到 ACK 后才會翻轉 PID,發送下一個數據包,否則會重試本次事務傳輸。同樣,若在接收端發現接收到到的數據包不是按照此順序翻轉的,比如連續收到兩個 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
handshake
For IN Token (即:IN Transaction)
ACK: 表示host正確無誤地接收到數據
NAK: 指示設備暫時不能返回或接收數據 (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)
如果接收到的數據包有誤,如:CRC錯誤,Device不發送任何handshake包
ACK: Device已經正確無誤地接收到數據包,且通知Host可以按順序發送下一個數據包
NAK: 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)
STALL: 指示Device endpoint已經停止,且通知Host不再重傳
Bulk讀寫序列
即由一系統IN事務或OUT事務組成。
4.3 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。他們之間的區別也僅在于事務傳輸發生的端點不一樣、支持的最大包長度不一樣、優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起中斷傳輸。中斷傳輸有較高的優先級,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。
DATA0或DATA1中的包含的是中斷信息,而不是中斷數據。
4.4 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。主機在排定事務傳輸時,同步傳輸有最高的優先級。
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。
審核編輯:湯梓紅
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原文標題:深入理解 USB 通信協議
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