Linux内核USB2.0驱动框架分析--USB传输

一、USB传输、事务、包的关系

USB传输、事务、包是从不同层次上去说明一次数据交互的三个概念。

举个例子可能更好些，“某领导和一个早起的程序员进行了一次交流，说了5件事”。

OK，其实这里的"这次交流"就相当于USB的一次传输，"说了5件事"就相当于这次传输过程中的5个事务，当然每件事肯定有若干句对话，就相当于每个事务里面的各种包。

其实通讯协议就是如此，都是从现实生活中抽象出来的，任何通讯协议都可以类比现实生活中人与人之间的交流方式。

二，传输
USB协议定义了四种传输类型：控制传输、中断传输、批量传输以及等时传输。其中，批量传输、等时传输、中断传输每传输一次数据就是一个事务；控制传输分为2~3个阶段：建立阶段、数据阶段（无数据控制没有此阶段）以及状态阶段，其中建立阶段和状态阶段分别是一个事务，数据阶段则可能包含多个事务。根据数据阶段的数据传输方向，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。

①控制传输(Control Transfers): 非周期性，突发。用于命令和状态的传输。

②中断传输(Interrupt Transfers): 周期性，低频率，允许有限延迟的通信 如人机接口设备（HID）中的鼠标、键盘、轨迹球等

③批量(大容量数据)传输(Bulk Transfers): 非周期性，突发大容量数据的通信，数据可以占用任意带宽，并容忍延迟 。如USB打印机、扫描仪、大容量储存设备等

④等时(同步)传输(Isochronous Transfers): 周期性、持续性的传输，用于传输与时效相关的信息，并且在数据中保存时间戳的信息 ,如音频视频设备

其中，批量传输、同步传输和中断传输每传输一次数据都是一个事务，控制传输包括3个过程，建立过程和状态过程分别是一个事务，数据过程则可能包含多个事务。

三，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（Transation）。事务通常由三个包组成：令牌包、数据包和握手包。

令牌包用来启动一个事务，总由主机发送；
数据包传送数据，可以由主机到设备或从设备到主机，方向由令牌包来指定。
握手包的发送着通常时数据的接收者，当数据正确接收时，发送握手信号，设备也可发送NAK握手包表示数据未准备好。

Transaction可以分成三类 ：

Setup transaction：主机用来向设备发送控制命令
Data IN transaction：主机用来从设备读取数据
Data OUT transaction：主机用来向设备发送数据

在OUT和SETUP事务处理中，紧接在SETUP和OUT包后的是DATA包，DATA0和DATA1包是接替地发送的，在DATA包后面，设备将回应一个握手信号，（如果设备可以接受数据，就回应ACK包；如果设备忙，则回应NAK包；如果设备出错，则回应STALL包）。

在IN事务中，在IN包后面是设备发送的DATA包或NAK包或STALL包，（若设备忙或者出错，就发送NAK包或STALL包给主机；若设备数据准备好发送，则发送DATA包），DATA0和DATA1包也是交替发送的，紧接着DATA包后面的是主机发送给设备的握手包。（ACK表示主机可以接收数据，NAK包代表主机忙，STALL代表主机出错）

四，控制传输的结构
控制传输主要包括控制读传输、控制写传输、无数据控制传输三种， 如下图。
一次完整控制传输可以分为三个阶段：初始设置阶段—>数据阶段(可选)—>状态信息阶段。
（1）设置过程

初始设置阶段用于固定建立SETUP事务，标志一次控制传输的开始。

（2）数据传输过程

初始设置阶段中命令如果要求读/写数据，数据阶段就会在这一阶段来具体交换数据(如果没有数据交换要求则可省去数据阶段步骤，具体有SETUP事务标准请求命令决定，如下)。

主机如果是控制读数据请求，则数据阶段为一个或者多个IN事务；

主机如果是控制写数据请求，则数据阶段为一个或者多个OUT事务；

主机如果是无数据的控制请求，则没有数据阶段。

数据阶段是由一到多个IN/OUT事务组成。这是由于有时候存在一个事务传不完的数据，所以可能存在多个连续IN/OUT事务的情况，在同一次数据传输阶段中事务类型（读写）必定相同。

数据过程的所有数据事务必须是同一传输方向，一旦数据传输方向发生改变，就会认为是进入状态阶段。数据过程的第一个包必须是DATA1包，然后每次正确传输一个数据包后就在DATA0和DATA1之间替换。

3）状态过程

状态过程用来表示整个传输的过程已完全结束。（过程类似数据传输过程，但传输方向相反，且状态过程只使用DATA1包）.

状态传输的方向必须与数据传输方向相反，即原来是IN令牌包，则这个阶段应为OUT令牌包。对于控制读取而言，主机会发送OUT令牌包，其后为0长度的DATA1封包，此时，设备也会做出相对应的动作，送ACK、NAK或STALL握手封包。对于控制写入传输，主机会送出IN令牌包，然后设备送出表示完成阶段的0长度的DATA1封包，主机再做出相应的动作；送ACK、NAK或STALL封包。

4.1 控制读传输抓包分析

控制读传输在初始设置阶段会发起一个SETUP事务，从这个SETUP事务我们可以知道是设备给主机传输数据，并且数据长度是255，这里把先控制传输理解到位，接着在数据阶段完成数据交换（因为是设备给主机传输数据，所以是数据阶段是IN事务），最后在状态信息阶段主机给设备发送一个OUT事务表明自己接收是否异常。
4.2 写控制传输抓包分析

控制写传输在初始设置阶段同样会发起一个SETUP事务，从这个SETUP事务我们可以知道是主机向设备传输数据，并且数据长度是12，接着在数据阶段完成数据交换（因为是主机给设备传输数据，所以数据阶段是OUT事务），最后在状态信息阶段主机发起一个IN事务，请求设备回答接收情况。
  
五，等时传输

等时（同步）传输适用在数据量大、对实时性要求高的场合，如音频设备，视频设备等，这些设备对数据的延迟很敏感。对于音频或视频设备数据的100%正确性要求不高，少量的数据错误是可以容忍的，主要是保证数据不能停顿，所以等时传输是不保证数据100%正确的。

实时传输只需要令牌和数据两个信息包，没有握手应答包，故当数据错误时，不再重传操作。数据是否正确，由数据的CRC校验来确认。同步传输也不支持PID翻转。主机在排定事务传输时，同步传输有最高的优先级。

5.1 同步传输的结构

同步传输的事务比较简单，有只有1个阶段，数据阶段。

主机如果是同步读数据请求，则数据阶段为一个或者多个IN事务（同步传输事务，事务到后面讲解）；

主机如果是同步写数据请求，则数据阶段为一个或者多个OUT事务；

数据阶段是由一到多个IN/OUT事务组成。这是由于有时候存在一个事务传不完的数据，所以可能存在多个连续IN/OUT事务的情况，在同一次数据传输阶段中事务类型（读写）必定相同。

5.2 同步读传输抓包分析

因为是设备给主机传输数据，所以是数据阶段是IN事务。
因为是主机给设备传输数据，所以是数据阶段是OUT事务，和上图方式一样，只是IN变为了OUT。

六 ，批量传输
批量传输和同步传输类似，是使用批量事务（Bulk Transactions）来传输数据。批量读使用批量输入事务，批量写使用批量输出事务。批量传输通常在数据量大、对数据的实时性要求不高的场合，例如USB打印机、扫描仪、大容量存储设备等， 批量传输可以占用任意可用的数据带宽。

批量传输主要包括批量读传输、批量写传输两种， 传输事务如下图。
  
6.1 批量读传输抓包分析

因为是设备给主机传输数据，所以是数据阶段是IN事务。
6.2 批量写传输抓包分析
因为是主机给设备传输数据，所以是数据阶段是OUT事务，如下图
批量传输不支持在低速下，高速最大包长度为512字节，全速下为64字节。

七，中断传输
中断传输方式总是相对于设备查询的，以确定是否有数据需要传输，因此中断传输的方向总为从USB设备到主机。中断传输由IN或OUT事务组成。中断端点在端点描述符中要报告它的查询间隔，主机会保证在小于这个时间间隔的范围内安排一次传输。这里说的中断与硬件上的中断不同，他不是由设备主动发起的一个中断请求，而是由主机保证不大于某个时间间隔内安排一次传输。

中断传输在流程上除不支持PING 之外，其他的跟批量传输是一样的。他们之间的区别也仅在于事务传输发生的端点不一样、支持的最大包长度不一样、优先级不一样等这样一些对用户来说透明的东西。

主机在排定中断传输任务时，会根据对应中断端点描述符中指定的查询间隔发起中断传输。中断传输有较高的优先级，仅次于同步传输。

同样中断传输也采用PID翻转的机制来保证收发端数据同步。

7.1 中断传输的结构

中断传输的事务只有1个阶段，数据阶段。

主机如果是中断读数据请求，则数据阶段为一个IN事务；

主机如果是中断写数据请求，则数据阶段为一个OUT事务。

7.2 中断读传输抓包分析

因为是设备给主机传输数据，所以是数据阶段是IN事务。

八，传输总结
下图主要对四种传输不同传输速率的有效带宽、最大数据包长度、传输错误管理、事务组成进行说明