USB通讯原理协议摘要
2008-08-01 14:33
概述
USB总线的控制是主从结构，有一个Host和多个Device。Host负责总线的带宽管理（帧的编组），Device枚举，Device的编址。Device对Host在总线上的行为做出回应，如从总线上读取数据或写出数据，处理或生成回应。
USB总线的数据线由两根差分信号线D+ D-构成，Host和Device都挂接在这两条信号线上通讯。
USB协议内容分两大块，一个是对通讯逻辑进行分层定义；一个是对设备的组成逻辑进行分层定义。
通讯逻辑
USB通讯的逻辑结构分成三层：
包（packet）：信号层上传送的若干连续位流构成一个包，包由信号层定义；事务（transaction）：一组相关的包（packet）构成了个事务，事务由协议层定义；传输（transfer）：一组相关的事务构成一个传输，传输由数据传输层定义；端点（endpoint)：进行事务处理的实体；接口（interface)：进行传输处理的实体；包（packet）的格式：包有四种：令牌包／数据包／握手包／前导包。这四种包还有些子类。一个包是哪种，由PID标识。令牌包
数据包
握手包
PID
注：当USB的令牌包的PID是SOF时，期数据字段必须为11位的帧序列号；
2.0的USB协议中定义了更多的PID。
事务（transaction）的种类：有输入（IN）、输出（OUT）、设置（SETUP）、帧起始（SOF）、帧结尾（EOF），基本和令牌包的种类一致。它并不画出单独的示意图，而体现在传输（transfer)示意图的各个可能的分支里。SOF和EOF 较特殊，协议本身并没有将它们当成一种事务类型。
事务（transaction)的特点：
＊数据包的最大长度为1023个字节，一个事务最多只有一个数据包；
＊数据处理顺序由Host控制，一个事务的包不会分到不同的帧里；
＊事务处理中，包的传输是顺序，如令牌包总在数据包之前传送；
＊令牌包都是由Host发出的；
＊设备Device根据令牌包决定自己是否发送数据，不能主动发送数据；
帧：是Host对总线进行带宽管理、流量分配的单位，由若干事务（transaction)构成（不是传输），一个帧在时间上看来，是对总线1ms的占用。
传输（transfer)：有4种，批量传输(bulk)、控制传输(control)、中断传输(interrupt)、实时传输(isochronous)。
批量传输(bulk)：传送大块数据，不要求有周期性的或一定的数据传输速率。它可占用总线所任何可用带宽来传输，如果总线带宽被必须保证带宽的传输占用时，它可以等待。它采用数据检错和重传，还保证数据正确传输。
解读：当主机要开始一次输入的批量传输（bulk transfer）时，向总线上发送一个IN的令牌包（packet），设备收到令牌后，向总线上发送DATA或NAK或STALL，主机如收到DATA，则向总线上发送一个ACK；一次输出的批量传输（bulk transfer）与此类似。
控制传输(control)：用于传输命令。所有命令都是Host发起的。所有设备Device 都要支持控制传输。是非周期性的传输，但要优点占用总线。只有控制传输是双向的，而别的传输都是单向的。分成三个阶段(stage)：设置阶段、数据（可选）阶段、状态阶段；各个阶段由一个事务处理（transaction）构成。
中断传输(interrupt)：用于Host接收Device的事件信息。Host给中断传输的设备分配一定的总线带宽，周期性地通过中断传输接收此设备的信息，达到与传统中断方式相同的目的，（也就是定时查询）。1.1版协议开始支持IN／OUT的中断传输。也是一种可靠的传输方式。
实时传输(isochronous)：速率保证，正确性不保证。
USB设备的组成逻辑：以例子说明，一个HID设备，具有鼠标、键盘、游戏杆功能，但同一时刻，鼠标和游戏杆只能选一个。因此，一个设备（设备描述符），可以有两种配置（配置描述符），一种配置由若干接口（接口描述符）（鼠标＋键盘键盘＋游戏杆）构成，接口interface对应传输transfer，每个接口有多个端点endpoint，对应着事务transaction。所有配置里，都会有一个端口0，用于完成控制传输。