USB传输协议介绍
目录
概述
1 核心概念
1.1 关键词介绍
1.2 协议的层次结构
1.2.1 层级 1：包（Packet）
1.2.2 层级 2：事务（Transaction）
1.2.3 层级 3：传输类型（Transfer Type）
2 四种传输类型
2.1 控制传输（Control Transfer）
2.2 中断传输（Interrupt Transfer）
2.3 批量传输（Bulk Transfer）
2.4 等时传输（Isochronous Transfer）
2.5 等时传输（Isochronous Transfer）
2.6 4种传输类型对比
概述
本文主要介绍USB的传输协议，如果说硬件是USB系统的“身体”，那么传输协议就是其“灵魂”和“神经系统”，它规定了数据如何被组织、打包、发送、接收和确认，从而确保通信的有序和可靠。USB协议是一个复杂的体系，其核心思想是主机主导的、轮询式的、基于事务的通信。
1 核心概念
1.1 关键词介绍
1） 主机控制（Host-Centric）
整个USB总线由主机（通常是电脑）完全控制。任何通信都必须由主机发起，设备永远不能在未收到主机请求时主动向主机发送数据。
2） 轮询（Polling）
主机会以固定的时间间隔（通常是1ms）向所有连接的设备发送询问，检查它们是否有数据需要传输。这个时间间隔被称为帧（USB 1.x/2.0） 或微帧（USB 3.0+，125µs）。
3） 事务（Transaction）
一次完整的数据交互单元被称为一个“事务”。一个事务通常由多个“包”组成。
1.2 协议的层次结构
1.2.1 层级 1：包（Packet）
包是最基本的通信单位，就像一封信的信封。所有通信都由包开始和结束。一个包包含以下字段：
同步字段（SYNC）： 用于接收方时钟同步。
包标识符（PID）： 包的核心，定义了包的类型。PID分为四种：
令牌包（Token）： 由主机发出，定义要开始一个事务。（例如：IN-请求设备发送数据，OUT-主机要发送数据，SETUP-用于控制传输的设置）
数据包（Data）： 携带实际的数据载荷。
握手包（Handshake）： 报告事务状态。（例如：ACK-确认成功，NAK-设备暂时无法响应/缓冲区满，STALL-端点被挂起/需要主机干预）
特殊包（Special）： 用于高速传输等特定功能。
地址/端点/数据： 具体内容取决于PID类型。
循环冗余校验（CRC）： 用于检测传输错误。
包结束（EOP）： 标志包的结束。
1.2.2 层级 2：事务（Transaction）
一个事务由一系列包组成，完成一次特定的单向数据交换。它就像一次完整的对话回合。主要有三种类型的事务：
IN事务： 主机向设备要数据。
令牌包（IN PID）： 主机：“设备A的端点1，请发数据给我。”
数据包（DATA PID）： 设备：“好的，这是数据。”
握手包（ACK PID）： 主机：“数据收到，无误。”（如果数据错误，主机可能不回复或发NAK）
OUT事务： 主机向设备发数据。
令牌包（OUT PID）： 主机：“设备A的端点2，我要发数据给你。”
数据包（DATA PID）： 主机：“这是数据。”
握手包（ACK PID）： 设备：“数据收到，无误。”
SETUP事务： 一种特殊的OUT事务，用于控制传输，发送标准请求命令。
令牌包（SETUP PID）
数据包（DATA0 PID）
握手包（ACK PID）
1.2.3 层级 3：传输类型（Transfer Type）
传输类型是最高层的概念，它根据应用场景的不同，定义了如何组织一个或多个事务来完成一次完整的数据交换。USB协议定义了四种基本传输类型，这是理解USB协议的关键。
2 四种传输类型
2.1 控制传输（Control Transfer）
1） 用途：用于命令和状态操作。设备的枚举、配置都依靠控制传输。所有USB设备必须支持控制传输（端点0）。
2） 特点：
保证100%准确交付，有错误重传机制。
总线带宽中会保留一部分（10%）给控制传输。
由2-3个阶段组成：
建立阶段： 1个SETUP事务，发送8字节的标准化请求（如Get Descriptor）。
数据阶段（可选）： 0个或多个IN/OUT事务，传输请求的数据（如描述符）。
状态阶段： 1个IN/OUT事务，反向于数据阶段方向，用于确认整个传输是否成功。
2.2 中断传输（Interrupt Transfer）
1） 用途： 用于传输少量、周期性的、需要及时响应的数据。如键盘按键、鼠标移动。
2） 特点：
保证延迟： 主机保证在指定的时间间隔（轮询间隔）内查询设备。
有数据校验和重传，保证可靠性。
数据传输量小（低速USB下最多8字节/帧，全速下最多64字节）。
2.3 批量传输（Bulk Transfer）
1） 用途： 用于传输大量、无时效要求的数据。如U盘、打印机、扫描仪。
2） 特点：
无带宽和延迟保证： 当总线空闲时，它们才“尽力”使用剩余带宽。
有强大的错误检测和重传机制，保证100%准确无误。
数据传输量大（全速下最多64字节/事务，高速下最多512字节）。
2.4 等时传输（Isochronous Transfer）
1） 用途：用于传输大量、无时效要求的数据。如U盘、打印机、扫描仪。
2）特点：
无带宽和延迟保证： 当总线空闲时，它们才“尽力”使用剩余带宽。
有强大的错误检测和重传机制，保证100%准确无误。
数据传输量大（全速下最多64字节/事务，高速下最多512字节）。
2.5 等时传输（Isochronous Transfer）
1） 用途： 用于传输实时、连续的数据流。如摄像头、麦克风、音箱。
2） 特点：
保证带宽： 在设备配置时，主机就会为它保留固定的带宽。
无重传机制： 不进行错误校验和重传（因为重传的旧数据对实时流已无用）。允许一定的错误率。
专注于保证恒定的数据流和延迟，而不是数据的绝对正确。
2.6 4种传输类型对比
传输类型用途数据可靠性时序/带宽典型设备控制传输配置、命令、状态保证保证部分带宽所有设备（端点0）中断传输小量、及时数据保证保证延迟（轮询）键盘、鼠标批量传输大量、非实时数据保证无保证（尽力传输）U盘、打印机等时传输实时、连续数据流不保证（容错）保证带宽和延迟摄像头、音箱