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1、USB事务处理是主机和设备之间数据传输的基本单位，由一系列具有特定格式的信息包组 成。因此，要了解完整的USB通信协议，必须从USB的信息传输单元包及其数据域谈起。 通过由下而上，从简单至复杂的通信协议单位组成各种复杂的通信协议，进而构建出完整 的通信协议。16.4.1包包（Packet）是USB系统中信息传输的基本单元，所有数据都是经过打包后在总线上传输 的。首先了解一下包的组成。USB包由五部分组成，即同步（SYNC）字段、包标识符（PID）字段、数据字段、循环冗 余校验（CRC）字段和包结尾（EOP）字段，包的基本格式如下：同步字段（SYNC）PID字段数据字段CRC字段包结尾字段（EO
2、P）在USB的数据传输中，所有的传输包都起始于SYNC，接着是PID，后面是包中所包含的 数据信息，接下来是用来检测包中数据错误的循环冗余校验信息，最后以包结尾作为结束 标志。下面我们将一一介绍每个字段。1. 同步（SYNC）字段SYNC字段由8位组成，作为每个数据信息包的前导。顾名思义，它是用来产生同步作用 的，目的是使USB设备与总线的包传输率同步，它的数值固定为00000001。2. 包标识符（PID）字段PID字段是紧随在SYNC字段后面，用来表示数据信息包的类型。在USB协议中，根据PID的不同，USB包有着不同的类型，分别表示具有特定的意义。如下所示：PID0 PID1 PID2
3、PID3包标识符长度为一个字节（8个数据位） ，由 4个位的包类型字段和4个位的校验字段构 成。PID是USB包类型的唯一标志，USB主机和USB设备在接收到包后，必须首先对包标 识符解码得到包的类型，并判断其意义从而做出下一个反应。包标识符中的校验字段是通 过对类型字段的每个位求反码产生的，它是用来对包类型字段进行错误检测用的，旨在保 证对包的标识符译码的可靠性，如果4 个检验位不是它们各自的类型位的反码，则说明标 识符中的信息有错误。表 16-2中列出了信息包的类型，包括令牌、数据、握手或特殊四种信息包类型。为简化对 USB的认识，有关高速传输的部分没有在表中列出。3. 数据字段在USB包
4、中，数据字段是用来携带主机与设备之间要传递的信息，其内容和长度根据包标 识符、传输类型的不同而各不相同。并非所有的USB包都必须有数据字段，例如握手包、 专用包和SOF令牌包就没有数据字段。在USB包中，数据字段可以包含设备地址、端点 号、帧序列号以及数据等内容。在总线传输中，总是首先传输字节的最低位，最后传输字 节的最高位。（1）设备地址（ADDR）数据域ADDR数据域由7位组成，可用来寻址多达127个外围设备。（2）端点（ENDP）数据域ENDP数据域由4位组成。通过这4个位最多可寻址出32个端点。这个ENDP数据域仅用 在IN、OUT与SETUP令牌信息包中。对于慢速设备可支持端点0以及
5、端点1作为中断传 输模式，而全速设备则可以拥有16个输入端点（IN）与16个输出端点（OUT）共32个 端点。（3） 帧序列号当USB令牌包的PID为SOF时，其数据字段必须为11位的帧序列号。帧序列号由主机产 生，且每个数据帧自动加一，最大数值为0x7FF。当帧序列号达到最大数时将自动从0开 始循环。（4） 数据它仅存于DATA信息包内，根据不同的传输类型，拥有不同的字节大小，从0到1023字 节（实时传输）。4循环冗余校验（CRC）字段根据不同的信息包类型，CRC数据域由不同数目的位所组成。其中重要的数据信息包采用 CRC16的数据域（16个位），而其余的信息包类型则采用CRC5的数据域（
6、5个位）。其 中的循环冗余码校验CRC,是一种错误检测技术。由于数据在传输时，有时候会发生错 误，因此CRC可根据数据算出一个校验值，然后依此判断数据的正确性。5.包结尾（EOP）字段包的发送方在包的结尾发出包结尾信号。它表现为差分线路的两根数据线保持2比特低位 时间和1比特空闲位时间。USB主机根据EOP判断数据包的结束。16.4.2 信息包格式根据信息包所实现的功能，其可以分为3种类型：令牌包、数据包和握手包。其中，令牌 包定义了数据传输的类型，数据包中含有需要传输的数据，握手包指明了数据接收是否成 功。1. 令牌（token ）包在USB系统中，只有主机才能发出令牌包。令牌包定义了数据传
7、输的类型，它是事务处理 的第一阶段。令牌包格式如下：8位 8位 7位 4位 5位SYNC PIDADDR ENDP CRC5令牌包中较为重要的是SETUP、IN和OUT这三个令牌包。它们用来在根集线器和设备端 点之间建立数据传输。一个IN包用来建立一个从设备到根集线器的数据传送，一个OUT 包用来建立从根集线器到设备的数据传输。IN包和OUT包可以对任何设备上的任何端点 编址。一个SETUP包是一个OUT包的特殊情形，它是高优先级的，也就是说设备必须 接受它，即使设备正在进行数据传输操作的过程中也要对其进行响应。SETUP包总是指向 端点 0 的。2. 数据（data）包一个数据信息包包含了
8、4个数据域：SYNC、PID、DATA与CRC16。在这里要注意的是 DATA数据域内所放置的位值，需根据USB设备的传输速度（慢速、高速与全速）以及传 输类型（中断传输、批量传输、等时传输）而定，且须以8字节为基本单位。也就是，若 传输的数据不足8字节，或传输到最后所剩余的也不足8字节，仍须传输8字节的数据 域。格式如下：8位 8位 01023字节 16位SYNC PID DATA CRC163.握手（Handshake）包握手信息包是最简单的信息包类型。在这个握手信息包中仅包含一个PID数据域而已，它 的格式如下所列：8位 8位SYNC PID其中仅包含SYNC与PID两个数据域。16.4
9、.3 事务在USB上数据信息的一次接收或发送的处理过程称为事务处理（Transaction）。事务处理 的类型包括输入（IN）事务处理、输出（OUT）事务处理、设置（SETUP）事务处理和帧开始、帧 结尾等类型。在输出（OUT）事务处理和设置（SETUP）事务处理中，紧接着SETUP和OUT包 后的是DATA包，DATA0和DATA1包是交替地发送的，在DATA包后面，设备将回应一 个握手信号，如果设备可以接收数据，就回应ACK包，如果设备忙，就回应NAK包，如 果设备出错，则回应STALL包；在IN事务中，IN包后面是设备发来的DATA包或NAK包 或STALL包，若设备忙或出错，就发NAK
10、包或STALL包给主机，若设备数据准备好发 送，则发DATA包，DATA0和DATA1包也是交替地发送的，紧接着DATA包后面是主机 发给设备的握手包，ACK表示主机可以接收数据，NAK包代表主机忙，STALL包代表主机 出错。下面我们再分别介绍这些事务。1. 输入（IN）事务处理输入事务处理表示USB主机从总线上的某个USB设备接收一个数据包的过程，接下来分析 输入事务处理的各种典型情况：（1）正常的输入事务处理1. 主机-设备（令牌信息包） SYNC IN ADDR ENDP CRC52. 设备-主机（数据信息包） SYNC DATA0 DATA CRC163. 主机-设备（握手信息包）
11、SYNC ACK（2）设备忙时的输入事务处理1. 主机-设备（令牌信息包） SYNC IN ADDR ENDP CRC52. 设备-主机（握手信息包） SYNC NAK（3）设备出错时的输入事务处理1. 主机-设备（令牌信息包） SYNC IN ADDR ENDP CRC52. 设备-主机（握手信息包） SYNC STALL2. 输出（OUT）事务处理（1）正常的输出事务处理1. 主机-设备（令牌信息包） SYNC OUT ADDR ENDP CRC52. 主机-设备（数据信息包） SYNC DATA0 DATA CRC163. 设备-主机（握手信息包） SYNC ACK（2）设备忙时的输出事
12、务处理1. 主机-设备（令牌信息包） SYNC OUT ADDR ENDP CRC52. 主机-设备（数据信息包） SYNC DATA0 DATA CRC163设备-主机（握手信息包） SYNC NAK（3）设备出错时的输出事务处理1主机-设备（令牌信息包） SYNC OUT ADDR ENDP CRC52主机-设备（数据信息包） SYNC DATA0 DATA CRC163设备-主机（握手信息包） SYNC STALL3.设置（SETUP）事务处理（1）正常的设置事务处理1. 主机-设备（令牌信息包） SYNC SETUP ADDR ENDP CRC52. 主机-设备（数据信息包） SYNC
13、 DATA0 DATA CRC163. 设备-主机（握手信息包） SYNC ACK（2）设备忙时的设置事务处理1. 主机-设备（令牌信息包） SYNC SETUP ADDR ENDP CRC52. 主机-设备（数据信息包） SYNC DATA0 DATA CRC163. 设备-主机（握手信息包） SYNC NAK（3）设备出错时的设置事务处理1. 主机-设备（令牌信息包） SYNC SETUP ADDR ENDP CRC52. 主机-设备（数据信息包） SYNC DATA0 DATA CRC163. 设备-主机（握手信息包） SYNC STALL16.4.4 USB传输类型在 USB 的传输中
14、，制定了 4 种传输类型：控制传输、中断传输、批量传输以及实时传输。 这里只详细介绍控制传输，其他传输类型只作简要说明。1.控制传输控制传输是USB传输中最重要的传输，唯有正确地执行完控制传输，才能进一步正确地执 行其他传输模式。由于每个USB设备可能速度、传输的包的大小等信息有可能不同，因此每个USB设备内部 都记录着该设备的一些信息（也就是接下来将要介绍的设备描述符），当在主机上检测到 USB设备时，系统软件必须读取设备描述符，以确定该设备的类型和操作特性，以及对该 设备进行相应的配置，这些工作都是通过控制传输来完成。每个USB设备都必须实现一个 缺省的控制端点，该端点总是0号端点。控制传
15、输类型分为23个阶段：设置阶段、数据阶段（无数据控制没有此阶段）以及状 态阶段。根据数据阶段的数据传输的方向，控制传输又可分为3 种类型：控制读取（读取 USB描述符）、控制写入（配置USB设备）以及无数据控制。以下介绍各阶段的工作。阶段一：设置阶段USB设备在正常使用之前，必须先配置，本阶段由主机将信息传送给USB设备，定义对 USB设备的请求信息（如：读设备描述符）。主机一般会从USB设备获取配置信息后再确 定此设备有哪些功能。作为配置的一部分，主机会设置设备的配置值。我们统称这一阶段 为设置阶段。设置阶段由设置事务完成，也就是该阶段包含了 SETUP令牌信息包、紧随其后的DATAO 数据信息包（该信息包里的数据即为设备请求，本章将后续介绍）以及ACK握手信息包。 它的作用是执行一个设置的数据交换，并定义此控制传输的内容。阶段二：数据传输阶段 数据传输阶段是用来传输主机与设备之间的数据。控制读取是将数据从设备读到主机上，读取的数据USB设备描述符。该过程如图16-8所 示。对每一个数据信息包而言，首先，主机会发送一个IN令牌信息包，表示要读数据进 来。然后，设备将数据通过DATA1数据信息包回传给主机。最后，主机将以下列的方式加 以响应：当数据已经正确接收时，主机送出ACK令牌信息包；当主机正在忙碌时，发出
