USB總線協(xié)議基礎知識

控制傳輸（Control Transfers)

: 或許你已經(jīng)注意到了，一個usb host端口并不是僅僅支持一個Usb function.如圖1，

通過usb hub,一個usb host端口可以連接usb鼠標，usb鍵盤，Usb寫字板......。要連接這么多東西在同一個

usb host上，我們通常會有一個基本問題，即usb host如何識別這些被連接在它的端口上的設備呢。正如通常的

主從式通訊系統(tǒng)一樣，如rs485多機通訊,我們通常是用一個特定的地址標志每一個從設備。對這里的usb,我們

采用同樣的方法，將為每個掛接在該usb host上的usb function指定一個特定地址，通過這個特定地址來識別

每個usb function.看來這將是一個usb function在數(shù)據(jù)傳輸之前必須解決的問題--得到它的地址分配。

這個“地址指定”的過程需要usb host通知usb function才能完成，這個交互過程就是一個控制式傳輸。通過

這個“控制式傳輸”，usb host將指定地址給usb function ,以為即將進行的正式通訊做好準備工作。這里細心

的讀者可能已經(jīng)注意到了，既然usb host總要分配地址給usb function才能進行正式的數(shù)據(jù)傳輸工作，那么

usb host將如何與一個初始時未分配地址的usb function進行交互來分配地址呢。這里，是這樣解決的：

usb協(xié)議保留了一個“通用地址”0,usb host 通過這個地址0來和初始未分配地址的usb function進行通訊，進行一

些初始的準備工作，諸如這里的為它非配一個特定地址。后面我們就會了解到，usb除了配置地址外，還有一些

其它參數(shù)需要事先主從雙方達成共識。這些參數(shù)也都是通過控制式傳輸完成的。一個Usb 的控制式傳輸如圖二：

一個Usb的控制式傳輸分為兩個或三個階段進行傳輸：setup stage,data stage（視情況而定）,status stage。

1. 首先是setup stage,聯(lián)系上節(jié)所說的Usb傳輸模式，usb Host總是先發(fā)起第一個packet--這里它
   1. 首先發(fā)起setup,
   2. 之后發(fā)起以data0為起始的setup data,
   3. 最后usb function回應ack結束一次交互。
2. 其次如果有data stage,類似的，還是按照上節(jié)說的usb傳輸模式，
   1. 1. usb host總是先發(fā)起第一個Packet--Out(或in），
      2. 之后usb host(或usb function)發(fā)起以data1為起始的payload data,
      3. 最后Usb fuction(或usb host）回應ack結束一次交互。
   2. 如果數(shù)據(jù)未傳完，繼續(xù)data stage,同上繼續(xù)。
3. 最后是status stage,類似的，
   1. usb host首先發(fā)起第一個Packet--in(或out），
   2. 之后usb function(或usb host)發(fā)起以data1為起始的Null data(0長度）,
   3. 最后Usb host(或usb function）回應ack結束一次交互。

如此，整個控制式傳輸結束。 你或許有疑問，data stage為什么進行了多次而非一次完成？實際上，usb總是將

一批大量的數(shù)據(jù)分成了許多小段來進行傳輸，稱為一個pay load。這樣傳輸?shù)哪康氖侨菀讓鬏斶M行控制。既然

一次大量的數(shù)據(jù)總是被分成一段一段來分次傳輸，那么這里就出現(xiàn)了一個需要事先確定的參數(shù)（wMaxPacketSize）：即每次即這個小段有多大。這個參數(shù)如地址指派一樣，正式傳輸之前需要事先達成共識。通過控制式傳輸，現(xiàn)在我們

已經(jīng)完成了usb function的地址指定等參數(shù)的設置工作，下一步可以進行正式的數(shù)據(jù)傳輸了。

塊傳輸（bulk Transactions）

我們終于等到usb function 配置完成，現(xiàn)在我們的任務是要傳送一批數(shù)據(jù),這里可以使用批量數(shù)據(jù)傳輸(bulk Transactions)。 一個批量傳輸總是按照如圖所示方式進行，

1. 首先，usb host發(fā)起第一個Packet--in(或out),表示要開始數(shù)據(jù)傳輸了。
2. 其次，usb function（或usb host)發(fā)起以data1(或data0)為起頭的payload data,開始一次交互。
3. 再其次，usb host（或Usb function)發(fā)起ack回應這次交互。 如果數(shù)據(jù)還為傳完，繼續(xù)上述過程，即：
   1. 首先，usb host再次發(fā)起一個Packet--in(或out),表示又要開始數(shù)據(jù)傳輸了。
   2. 其次，usb function（或usb host)發(fā)起以data0(或data1)為起頭的payload data,開始又一次交互。
   3. 再次，usb host（或Usb function)發(fā)起ack回應這次交互。
   如此繼續(xù)直至傳輸完成。

這里的疑問依然是為什么一次可能傳完的數(shù)據(jù)為什么分成多次進行傳輸,原因在上次介紹控制式傳輸式已經(jīng)說明。

后面我們就會明白，為什么這樣可以方便控制傳輸過程。 仔細看看控制式的data stage采用的傳輸方式，是否

就是批量傳輸方式呢？！注意，每次payload data的“牽頭人”（preamble)在輪番掉換，先是data1,接著data0,

再是data1,......如此接替，只要有一次交互出現(xiàn)問題，這個接替規(guī)則就會被打破進而被Usb host識別而發(fā)現(xiàn)

傳輸異常。所以這個交替的“牽頭人”規(guī)則是可靠數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃扇〉拇胧┲弧?/p>

同步傳輸（Isochronous Transactions）和中斷式傳輸（Interrupt Transactions）

在批量數(shù)據(jù)傳輸中，觸發(fā)一次批量數(shù)據(jù)傳輸總是“被動”的，就是說需要數(shù)據(jù)傳輸時Usb host并不會主動發(fā)起

傳輸，而是需要得到你的指令。當你告訴它：“一切ok，讓我們開始吧！” 這時它才開始數(shù)據(jù)傳輸。這種方式

顯然在某些情況下并不適合。比如音視頻流，你無法要求它聽從你的“指揮”，讓它等你發(fā)指令給usb host,

然后開始一次傳輸。我們需要的是一種“及時”傳輸。一個好的方案就是設置一個timer,按照tick發(fā)起usb傳輸。

這個tick通常以1ms(usb full speed)為最小單位。這時，可以設置為每次1ms tick出現(xiàn)，usb host“自動”發(fā)起一

次數(shù)據(jù)傳輸。那么這種方案具體如何來實現(xiàn)呢？看來最基本的要素便是一個發(fā)出tick的timer，而這個“timer”

需要usb host和usb function（事實上還要包括usb hub)雙方均能“看到”，從而協(xié)調(diào)工作，否則單方面的

timer又有何意義？這個"timer"(或tick)在usb中使用一個特殊的packet實現(xiàn)，即是SOF。這個SOF由USB HOST

相當精確的以每1.00 ms ±0.0005 ms的時間周期發(fā)送給usb device，來在二者之間定時。從而usb function能

夠“及時”的了解到“現(xiàn)在時刻”。 現(xiàn)在我們在usb host和usb function之間建立起了“對時”機制。那么接下

來看看剛才設想的“自動”傳輸如何實現(xiàn)。事實上，一旦usb host及usb function雙方建立了一種時間機制，那

么這種“自動”傳輸是很容易實現(xiàn)的。usb 實現(xiàn)同步式傳輸或中斷式傳輸總是以一種類似于批量數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞?/p>

進行的，唯一不同的是傳輸?shù)挠|發(fā)不再是“被動”的，而是由SOF所建立的tick觸發(fā)。

1. 首先，時間到達，usb host發(fā)起第一個Packet--in(或out),表示要開始數(shù)據(jù)傳輸了。
2. 其次，usb function（或usb host)發(fā)起以data1(或data0)為起頭的payload data,開始一次交互。
3. 再其次，如果是中斷式傳輸，usb host（或Usb function)發(fā)起ack回應這次交互，如果是同步式傳輸，
4. 該步跳過。

如此重復上述步驟,即usb host等待下一個tick到達，并開始新一輪的交互。

這里我們注意到了，同步式傳輸和中斷式傳輸二者雖然都是時間觸發(fā)，但是中斷式傳輸需要ack應答，而相反，

同步式傳輸不需要。這個最大的區(qū)別決定了同步式傳輸是一種非可靠傳輸，但是因此換來了更多的usb傳輸時間。

也因此,同步式傳輸?shù)?payload data（對應wMaxPacketSize ）通常相較于其他傳輸方式比較大,因為它消掉了

ack所占有數(shù)據(jù)傳輸時間。這里還有一個地方值得注意的是tick的設定，這個tick也是需要事先usb host 和

usb function達成共識的參數(shù)之一。