【USB通信原理】USB传输模型 USB传输基本原理

在介绍 USB 体系结构的时候已经介绍了 USB 总线有两条数据线，并且两条数据线是由所有设备共享的。USB 主机负责管理总线上的数据传输，它会将传输依据时间来分割成若干帧（Frame）或者微帧（Microframe）。每一个帧的开头是一个开端信息包（Start Of Frame），然后是数据传输的事务（Transaction）。

每一次 USB 传输是由一次或者几次事务组成，而每一个事务又是由信息包（Packet）所组成，信息包是 USB 传输的载体。要了解事务、包以及其具体内容，首先需要了解的概念是端点（Endpoint）和管道（Pipe），这些被称为 USB 传输要件。

1．USB 传输要件

（1）端点

端点是 USB 设备的一个部分，所有的传输都是将端点作为发出点或者接收点。通常情况下，设备端点是一个内存区域，或者是控制芯片的一个缓存器，端点的作用是数据缓存。每个 USB设备有一个惟一的地址，这个地址是在设备连上主机时由主机分配的，而设备中的每个端点在设备内部有惟一的端点号，这个端点号是在设备设计时被给定的。端点号可以是 0～15，方向可以是 IN（设备发送数据给主机）或者 OUT（主机发送数据给设备）。每个设备必须将端点 0设置为控制端点，控制端点是双向数据传输的，而其他类型的端点都是单向数据传输。

（2）管道

管道是设备端点和主机控制器之间的连接，在一个传输发生之前，必须首先建立一个管道。管道随着主机和设备的连接的建立而建立，当移除设备时，管道也跟着被移除。每一个设备都会和主机之间建立一个默认的控制管道（Default Control Pipe），此管道使用端口 0。不同的传输类型使用不同的管道（这将在下面的内容介绍），此外管道还可以被分为消息管道（Message Pipe）和流管道（Stream Pipe）。消息管道是指具有某种 USB 定义格式的数据流，是双向的管道；而流管道则是不具有 USB 定义格式的数据流，不具有双向性。控制传输是惟一使用双向消息管道的传输，其他的传输都是使用单方向的流管道。

（3）传输类型

USB 具有 4 种传输类型，定义多种传输类型的目的是为了适应众多 USB 设备对传输速率、响应时间等方面的不同需求。

• 控制传输（Control Transfer） 控制传输用于在设备初次连接时对器件进行配置，以及对设备的状态进行实时检测，还有在设备配置完成后用于特殊传输目的。端点 0 只可以采用控制传送的方式。

• 中断传输（Interrupt Transfer） 中断传输适用于那些小批量的、点式、非连续的数据传输应用的场合，如用于人机交互的鼠标、键盘、游戏杆。

• 块传输（Bulk Transfer） 块传输用于进行批量的、非实时的数据传输。如一台 USB扫描仪即可采用块传输的模式，以保证高速传输并且实时纠错。采用块传输方式的信道所占用的 USB 带宽在实时带宽分配中具有最高的优先级。

• 同步传输（Isochronous Transfer） 为保证数据传输的实时性，同步传输不进行数据错误的重试，也不在硬件层次上回应一个握手数据包，这种传输模式具有产生错误的隐患。为保证在同步传输数据流中致命错误的机率小到可以容忍的程度，而数据传输的延迟又不会对设备的性能造成很大影响，制造商必须为使用同步传输的信道选择一个合适的带宽（即必须在速度和品质之间做出权衡）。

2．事务、信息包和联络信号

每一个 USB 传输包含一个或者多个事务，而每一个事务又包括了一个、两个或者 3 个信息包。图 6-6 所示就是 USB 传输的模型。



事务根据其数据流方向以及目的，可以分为 3 类：输入、输出与设置。每一个传输类型的传输包括一个或者多个阶段（Stage），一个阶段即一种类型的事务。每个阶段又可以分为一个或者几个相位（Phase），相位包含几个或者两个事务信息包。不同的传输类型的阶段、相位关系如表 6-2 所示。

信息包是一个区块的固定格式信息，每个信息包由一个信息包标示符（Packet ID，即 PID）开头，作为信息包的识别。根据事务种类的不同，PID 后面可能有端点地址、数据、状态信息，或者是一个帧号码、错误校验位。

在控制传输、批量传输和中断传输中都有一个相位是联络数据包，它包含的是联络信息。但是联络信号不是仅仅在联络数据包中，有些数据信息包中也包含联络信号。USB 定义的联络信号如下：

（1）ACK（Acknowledge） 表示主机或者设备已经成功接收数据。

（2）NAK（Negative Acknowledge） 表示设备在忙中。

（3）STALL 可以表示 3 种意义，即不支持的控制要求、控制要求失败或者是端点失败。（4）NYET（Not Yet） 表示设备是否已准备好接收数据，只有高速设备才会使用。

（5）ERR（Error） 表示在集线器和主机的事务中，设备没有传回预期的联络信号。ERR只有在高速集线器完成事务分割时才会使用。

表 6-3 所示为在不同的传输事务中所传输的状态码。

3．USB 传输的结构

USB 传输结构描述的是各个类型 USB 传输的时序、数据包和特征。下面分别介绍一下 4 种USB 传输类型的传输结构。

（1）控制传输

每一个控制传输都必须有设置与状态阶段，数据阶段则是选择性的。控制传输的设置事务传输结构如图 6-7 所示。

控制传送的数据阶段，由一个以上的输入或输出事务构成，遵守和批处理传送相同的协议规则。所有的数据阶段里的事务都必须有相同的方向（即全部输入或者全部输出）。在数据项中要发送的数据的数量和其方向在建立阶段被指定。如果数据的数量超过了先前确定的数据包大小，数据在支持最大的包大小的多个事务中被发送（输入或者输出）。任何剩下的数据都作为剩余在最后的事务中被发送。图 6-8 所示描述了控制传输的读/写操作事务顺序。

（2）批量传输

批量传输包含一个或者多个传输事务，其传输是单方向的，即所有的事务都必须是输入或者输出事务。如果需要双向传数据，需要另建立一个管道。批量传输的传输结构如图 6-9 所示。

（3）中断传输中断传输必须在指定的时间内完成，它一般应用于鼠标、键盘、游戏杆等 HID（HumanInterface Device）类设备以及集线器的状态报表中。中断传输的传输结构如图 6-10 所示。

（4）实时传输

实时传输的意义在于每一个帧或者微帧内必须传输固定数目的字节数据，它适用于固定速率或者特定时间的传输。实时传输没有联络阶段，所以不能保证传输的完全可靠性。实时传输的传输结构如图 6-11 所示。

对实时传输有两点需要注意：

• 设备或主机控制器都应该能接收 DATA0 和 DATA1，设备或主机控制器应该只发送 DATA0；

• 实时传输事务不支持切换时序。