USB子系统学习（二）USB协议层数据格式

1、声明

本文是在学习韦东山《驱动大全》USB子系统时，为梳理知识点和自己回看而记录，全部内容高度复制粘贴。

韦老师的《驱动大全》：商品详情

其对应的讲义资料：https://e.coding.net/weidongshan/linux/doc_and_source_for_drivers.git

2、硬件拓扑结构

• compound device ：多个设备组合起来，通过HUB跟Host相连
• composite device ：一个物理设备有多个逻辑设备(multiple interfaces)

在软件开发过程中，我们可以忽略Hub的存在，硬件拓扑图简化如下：

一个物理设备里面可能有多个逻辑设备，Hos可以外接多个逻辑设备，硬件拓扑图如下：

3、协议层

3.1、提出问题

1. USB Host 如何找到目标 USB Device ？
2. USB Host 如何表示要读取数据还是写入数据？
3. USB Host 如何确认结果？

3.2、包格式

USB总线上传输的数据以包为单位。USB包里含有哪些内容（“域”）？

• SOP：用来表示包的起始
• SYNC：用来同步时钟
• PID：表示包的类型
• 地址：在USB硬件体系中，一个Host对应多个Logical Device，那么Host发出的包，如何确定发给谁？
  • 发给所有设备：包里不含有设备地址
  • 发给某个设备：包里含有设备地址、端点号
• 帧号、数据等跟PID相关的内容
• CRC校验码

发起一次完整的传输，可能涉及多个包。

我们重点关注Packet Content里的东西，包括了PID、地址/帧号/数据、CRC。

3.2.1、PID域

在USB包中，PID域使用8位来表示，格式如下：

前4位表示PID，后4位是对应位的取反。接收方发现后4位不是前4位的取反的话，就认为发生了错误。

其中通过bit1, bit0来区分包的类型：

• 令牌包(Token)：01B
• 数据包(Data)：11B
• 握手包(Handshake)：10B
• 特殊包(Special)：00B

通过bit2，bit3来进一步细分：

3.2.1.1、令牌包（Token）

令牌类的PID，起"通知作用"，通知谁？SOF令牌包被用来通知所有设备，OUT/IN/SETUP令牌包被用来通知某个设备。

对于OUT、IN、SETUP令牌包，它们都是要通知到具体的设备，格式如下：

USB设备的地址有7位，格式如下：

USB设备的端点号有4位，格式如下：

对于SOF包，英文名为"Start-of-Frame marker and frame number"。对于USB全速设备，Host每1ms产生一个帧；对于高速设备，每125us产生一个微帧，1帧里有8个微帧。Host会对当前帧号进行累加计数，在每帧或每微帧开始时，通过SOF令牌包发送帧号。对于高速设备，每1毫秒里有8个微帧，这8个微帧的帧号是一样的，每125us发送一个SOF令牌包。

SOF令牌包格式如下：

3.2.1.2、数据包

Host使用OUT、IN、SETUP来通知设备要传输数据了，那么数据则是通过“数据包”进行传输。

数据包也有4种类型：DATA0、DATA1、DATA2、MDATA。其中DATA2、MDATA在高速设备中使用。对软件开发人员来说，我们暂时仅需了解DATA0、DATA1。

为什么要引入DATA0、DATA1这些不同类型的数据包？为了纠错。

Host和设备都会维护自己的数据包切换机制，当数据包成功发送或者接收时，数据包类型切换。当检测到对方使用的数据包类型不对时，USB系统认为发生了错误。

比如：

• Host发送DATA0给设备，设备返回ACK表示成功接收，设备期待下一个数据是DATA1
• 但是Host没有接收到ACK，Host认为数据没有发送成功，Host继续使用DATA0发送上一次的数据
• 设备再次接收到DATA0数据包，它就知道：哦，这是重传的数据包

数据包格式如下：

对于全速设备，数据包中的数据最大是1023字节；对于全速设备，数据包中的数据最大是1024字节。

3.2.1.3、握手包

握手包有4类：ACK、NAK、STALL、NYET

• ACK：数据接收方用来回复发送方，表示正确接收到了数据并且有足够的空间保存数据。
• NAK：Host发送数据给设备时，设备可以回应NAK表示“我还没准备好，没办法接收数据”；Host想读取设备的数据时，设备可以回复NAK表示“我没有数据给你”。
• STALL：表示发生了错误，比如设备无法执行这个请求（不支持该断点等待）、断点已经挂起。设备返回STALL后，需要主机进行干预才能接触STALL状态。
• NYET：仅适用于高速设备。Host可以发出PING包用来确认设备有数据，设备可以回应NYET表示“还没呢”。Hub也可以回应NYET表示低速/全速传输还没完结。

3.3、传输细节

3.3.1、传输（Transfer）和事务（Transaction）

USB传输的基本单位是包(Packet)，包的类型由PID表示。一个单纯的包，是无法传输完整的数据。

为什么？比如想输出数据，可以发出OUT令牌包，OUT令牌包可以指定目的地。但是数据如何传输呢？还需要发出DATA0或DATA1数据包。设备收到数据后，还要回复一个ACK握手包。

所以，完整的数据传输，需要涉及多个包：令牌包、数据包、握手包。这个完整的数据传输过程，被称为事务(Transaction)。

有些事务需要握手包，有些事务不需要握手包，有些事务可以传输很大的数据，有些事务只能传输小量数据。

有四类事务：

• 批量事务：用来传输大量的数据，数据的正确性有保证，时效没有保证。
• 中断事务：用来传输周期性的、小量的数据，数据的正确性和时效都有保证。
• 实时事务：用来传输实时数据，数据的正确性没有保证，时效有保证。
• 建立事务：跟批量事务类似，只不过令牌包是SETUP令牌包。

有四类传输（Transfer）：

• 批量传输：就是使用批量事务实现数据传输，比如U盘。
• 中断传输：就是使用中断事务实现数据传输，比如鼠标。
• 实时传输：就是使用实时事务实现数据传输，比如摄像头。
• 控制传输：由建立事务、批量事务组成，所有的USB设备都必须支持控制传输，用于“识别/枚举”。

暂时记住这个关系：

• Bit组成域（Filed）
• 域组成包（Packet）
• 包组成事务（Transaction）
• 事务组成传输（Transfer）

3.3.2、过程（stage）和阶段（phase）

事务由多个包组成，比如Host要发送数据给设备，这就会涉及很多个包：

• Host发出OUT令牌包，表示要发数据给哪个设备。
• Host发出DATA0数据包。
• 设备收到数据后，回应ACK包。

这个完整的事务涉及3个包(Packet)，分为3个阶段(Phase)：

• 令牌阶段(Token phase)：由令牌包实现。
• 数据阶段(Data phase)：由数据包实现。
• 握手阶段(Handshake phase)：由握手包实现。

事务由包组成，这些包分别处于3个阶段(phase)：令牌阶段，数据阶段，握手阶段。

对于批量传输、中断传输、实时传输，它们分别由一个事务组成，不再细分为若干个过程。

但是控制传输由多个事务组成，这些事务分别处于3个过程：建立过程(stage)、数据过程(stage)、状态过程(stage)。

总结起来就是：

• 控制传输由多个过程(stage)组成，每个过程由一个事务来实现。
• 每个事务由多个阶段(phase)组成，每个阶段有一个包来实现。

3.3.3、批量传输

批量传输用批量事务来实现，用于传输大量的数据，数据的正确性有保证，时效没有保证。

批量事务由3个阶段(phase)组成：令牌阶段、数据阶段、握手阶段。每个阶段都是一个完整的包，含有SOP、SYNC、PID、EOP。

3.3.4、中断传输

中断传输用中断事务来实现，用于传输小量的、周期性的数据，数据的正确性和时效都有保证。

中断事务由3个阶段（phase）组成：令牌阶段、数据阶段、握手阶段。每个阶段都是一个完整的包，含有SOP、SYNC、PID、EOP。

中断事务跟批量事务非常类似，Host使用它来周期性地读数据、写数据。

以鼠标为例，我们需要及时获得鼠标的数据，不及时的话你会感觉鼠标很迟钝。但是USB协议中并没有中断功能，它使用“周期性的读、写”来实现及时性。具体过程如下：

• Host每隔n毫秒发出一个IN令牌包。
• 鼠标有数据的话，发出DATA0或DATA1数据包给Host；鼠标没有数据的话，发出NAK给Host。

中断事务的优先级比批量事务更高，它要求实时性，而批量事务不要求实时性。

3.3.5、实时传输

实时传输用实时事务来实现，用于传输实时数据，对数据的正确性没有要求。

实时事务由2个阶段(phase)组成：令牌阶段、数据阶段。每个阶段都是一个完整的包，含有SOP、SYNC、PID、EOP。

实时事务不需要握手阶段，一个示例的场景是：为了传输摄像头的实时数据，偶尔的数据错误是可以忍受的，大不了出现短暂的花屏。如果为了解决花屏而重传数据，那就会导致后续画面被推迟，实时性无法得到保证。

实时事务跟中断事务非常类似，Host也会周期性的发起实时事务，主要区别在于：

• 实时事务不要求准确性，没有握手阶段。
• 实时事务传输的数据量比较大，中断事务传输的数据量比较小。

3.3.6、控制传输

在使用批量传输时，使用IN令牌包或OUT令牌包表示数据传输方向。

控制传输的令牌包永远是SETUP，怎么分辨是读数据，还是写数据？发出SETUP令牌包后，还要发出DATA0数据包，根据数据的内容来确定后续是读数据，还是写数据。这个过程称为“建立事务(SETUP Transaction)”

但是控制传输由多个事务组成，这些事务分别处于3个过程：建立过程(stage)、数据过程(stage)、状态过程(stage)。

• 建立过程(stage)，使用SETUP事务：Host发出SETUP令牌包、DATA0数据包、得到ACK握手包
• 数据过程(stage)，使用批量事务：
  • 对于输出：Host发出OUT令牌包，发出DATA0、DATA1数据包、得到ACK握手包
  • 对于输入：Host发出IN令牌包，读到DATA0、DATA1数据包、发出ACK握手包
• 状态过程(stage)，使用批量事务：
  • 对于输出：Host发出IN令牌包，读到DATA1数据包，发出ACK握手包
  • 对于输入：Host发出OUT令牌包，发出DATA1数据包，等待ACK握手包