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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
2、（EOP）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
3、PID2 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
4、在 USB 包中，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
5、 与 SETUP 令牌信息包中。对于慢速设备可支持端点 0 以及端点 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
6、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（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
7、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
8、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 PIDDATA CRC163 握手（ Handshake ）包握手信息包是最简单的
9、信息包类型。在这个握手信息包中仅包含一个的格式如下所列：PID 数据域而已，它2机- 设备（数据信息包） SYNC DATA0 DATA CRC168位 8位SYNC PID其中仅包含SYNC与PID两个数据域。16.4.3 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DA
10、TA 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，卜t,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 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
11、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 ENDPCRC52设备- 主机（数据信息包）SYNC DATA0 DATA CRC163 主机- 设备（握手信息包）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 ENDPCRC52 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 机- 设备 （令牌信息包） SYNC IN ADDR ENDP CRC52 设备- 机 （握手信息包） SYNC STALL
12、3 输出（OUT ）事务处理（1） 正常的输出事务处理1 机- 设备（令牌信息包） SYNC OUT ADDR ENDP CRC52机- 设备（数据信息包） SYNC DATA0 DATA CRC163 设备- 机（握手信息包） SYNC ACK（2） 设备忙时的输出事务处理1 机- 设备（令牌信息包） SYNC OUT ADDR ENDP CRC52机- 设备（数据信息包） SYNC DATA0 DATA CRC163 设备- 机（握手信息包） SYNC NAK（3） 设备出错时的输出事务处理1 机- 设备（令牌信息包） SYNC OUT ADDR ENDP CRC52机- 设备（数据信息包
13、） SYNC DATA0 DATA CRC163 设备- 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 机- 设备（令牌信息包） SYNC SETUP ADDR ENDP CRC52机- 设备（数据信息包） SYNC DATA0 DATA CRC163 设备- 机（握手信息包） SYNC ACK（2） 设备忙时的设置事务处理1 机- 设备（令牌信息包） SYNC SETUP ADDR ENDP CRC53 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 A
14、DDR 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，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
15、 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
