USB驱动开发之USB四种传输模式

2.3. USB四种传输模式

2.3.1. 批量传输

批量传输是一种可靠的单向传输，但延迟没有保证，它尽量利用可以利用的带宽来完成传输，适合数据量比较大的传输。低速USB设备不支持批量传输，高速批量端点的最大包长度为512，全速批量端点的最大包长度可以为8、16、32、64。
图2-3-0为批量事务图，其中一个方框表示一个Packet，灰色的包表示主机发出的包，白色的包表示Device 发出的包。批量传输是可靠的传输，需要握手包来表明传输的结果。若数据量比较大，将采用多次批量事务传输来完成全部数据的传输，传输过程中数据包的PID DATA0-DATA1-DATA0-…的方式翻转，以保证发送端和接收端的同步。USB 允许连续3 次以下的传输错误，会重试该传输，若成功则将错误次数计数器清零，否则累加该计数器。超过三次后，HOST 认为该端点功能错误(STALL)，放弃该端点的传输任务。一次批量传输(Transfer)由1 次到多次批量事务传输(Transaction)组成。
批量传输在访问USB总线时，相对其他传输类型具有最低的优先级，USB HOST总是优先安排其他类型的传输，当总线带宽有富余时才安排批量传输。高速的批量端点必须支持PING 操作，向主机报告端点的状态，NYET 表示否定应答，没有准备好接收下一个数据包，ACK表示肯定应答，已经准备好接收下一个数据包。
2.3.2. 控制传输
控制传输是一种可靠的双向传输，一次控制传输可分为三个阶段。第一阶段为从HOST 到Device 的SETUP 事务传输，这个阶段指定了此次控制传输的请求类型；第二阶段为数据阶段，也有些请求没有数据阶段；第三阶段为状态阶段，通过一次IN/OUT 传输表明请求是否成功完成。
左图为建立阶段的事务传输流程图。可以看出：与批量传输相比，在流程上并没有多大区别，区别只在于该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。建立阶段过后，可能会有数据阶段，这个阶段将会通过一次或多次控制传输事务，完成数据的传输。同样也会采用PID 翻转的机制。建立阶段，Device 只能返回ACK 包，或者不返回任何包。
最后是状态阶段，通过一次方向与前一次相反的控制事务传输来表明传输的成功与否。如果成功会返回一个长度为0 的数据包，否则返回NAK 或STALL。整个控制传输如图2-3-1所示。
控制传输通过控制管道在应用软件和Device 的控制端点之间进行，控制传输过程中传输的数据是有格式定义的，USB 设备或主机可根据格式定义解析获得的数据含义。其他三种传输类型都没有格式定义。

控制传输对于最大包长度有固定的要求。对于高速设备该值为64Byte；对于低速设备该值为8；全速设备可以是8 或16 或32 或64个字节。
控制传输在访问总线时也受到一些限制，如：
n 高速端点的控制传输不能占用超过20%的微帧，全速和低速的则不能超过10%。
n 在一帧内如果有多余的未用时间，并且没有同步和中断传输，可以用来进行控制输。
USB 允许连续3 次以下的传输错误，会重试该传输，若成功则将错误次数计数器清零，否则累加该计数器。超过三次后，HOST认为该端点功能错误(STALL)，放弃该端点的传输任务。

2.3.3. 中断传输

中断传输是一种轮询的传输方式，是一种单向的传输，HOST 通过固定的间隔对中断端点进行查询，若有数据传输或可以接收数据则返回数据或发送数据，否则返回NAK，表示尚未准备好。中断传输的延迟有保证，但并非实时传输，它是一种延迟有限的可靠传输，支持错误重传。对于高速/全速/低速端点，最大包长度分别可以达到1024/64/8 Bytes。高速中断传输不得占用超过80%的微帧时间，全速和低速不得超过90%。
中断端点的轮询间隔由在端点描述符中定义，全速端点的轮询间隔可以是1~255mS，低速端点为10~255mS，高速端点为(2interval-1)*125uS，其中interval 取1到16 之间的值。
除高速高带宽中断端点外，一个微帧内仅允许一次中断事务传输，高速高带宽端点最多可以在一个微帧内进行三次中断事务传输，传输高达3072 字节的图2-3-2为中断事务图，从图中可以看出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。

2.3.4. 同步传输

同步传输是一种实时的、不可靠的传输，不支持错误重发机制。只有高速和全速端点支持同步传输，高速同步端点的最大包长度为1024，低速的为1023。除高速高带宽同步端点外，一个微帧内仅允许一次同步事务传输，高速高带宽端点最多可以在一个微帧内进行三次同步事务传输，传输高达3072 字节的数据。同步传输事务如图2-3-4所示全速同步传输不得占用超过80%的帧时间，高速同步传输不得占用超过90%的微帧时间。同步端点的访问也和中断端点一样，有固定的时间间隔限制。

2.4. USB协议层规范

USB 采用little edian字节顺序，在总线上先传输一个字节的最低有效位，最后传输最高有效位，采用NRZI编码，若遇到连续的6个1 要求进行为填充，即插入一个0。所有的USB 包都由SYNC开始，高速包的SYNC宽度为32bit，全速/低速包的SYNC段度为8bit。实际接收到的SYNC产度由于USB HUB的关系，可能会小于该值。
USB 数据包的格式：

PID 表征了数据包的类型，分为令牌(Token)、数据(Data)、握手(Handshacke)以及特殊包4 大类，共16 种类型的PID。
对于令牌包来说，PID 之后是7位的地址和4位的端点号。令牌包没有数据域，以5位的CRC 校验和结束。SOF 是一类特殊的令牌包，PID 后跟的是11位的帧编号。
对于数据包来说，PID 之后直接跟数据域，数据域的长度为N 字节，数据域后以16 位的CRC 校验和结束。
握手包仅有PID 域，没有数据也没有校验和。
分离传输会用到一类特殊的包，Start-Split 和Complete-Split 包，格式如下：

在Start-Split 和Complete-Split 包中主要指定了此次分离传输所在的HUB 的地址和下行端口编号以及端点类型(控制、中断、批量、同步)。以及此次传输中数据包在整个数据中的位置(第一个包、中间的包、末尾的包)。
握手包包括ACK，NAK，STALL 以及NYET 四种，其中ACK 表示肯定的应答，成功的数据传输；NAK 表示否定的应答，失败的数据传输，要求重新传输；STALL 表示功能错误或端点被设置了STALL 属性；NYET 表示尚未准备好，要求等待。
数据在USB 总线上的传输以包为单位，包只能在帧内传输。高速USB总线的帧周期为125uS，全速以及低速USB总线的帧周期为1mS。帧的起始由一个特定的包(SOF 包)表示，帧尾为EOF。EOF 不是一个包，而是一种电平状态，EOF 期间不允许有数据传输。

2.5. USB
HUB规范

从功能上来说，HUB 必须支持连接行为、电源管理、设备连接/移除检测、总线错误检测和恢复、高/全/低速设备支持。USB HUB的架构图(图2-4-1)
USB HUB 自身的工作速度由上行PORT的连接速度决定。从结构上分，USB HUB由HUBRepeater、HUB Controller及Transaction Translator三部分组成。其中HUB Repeater主要负责连接的建立和撤销，即完成上行PORT 和下行PORT 工作在相同速度的连接管理。同时还支持错误的检测与恢复以及设备连接/移除的检测。HUB
Controller 负责与HOST 通讯，完成与HOST 的交互(请求的响应)、HUB 的控制及管理。Transaction Translator 主要负责高速的分离传输，并把它们分发到连接了全/低速设备的下行PORT。Routing Logic 负责将下行PORT 连接到HUB Repeater 或者Transaction Translator(以后简称TT)。
当USB HUB 的上行PORT 连接在全速/低速时，TT 不工作，HUB Repeater 工作在全速/低速模式。当USB HUB 的上行PORT 连接在高速时，TT 工作，HUB Repeater 工作在高速模式。