一、协议简介 1.主要内容： USB整体通信模型：星型拓扑（以USB主机为核心，建立USB主机与USB设备之间的数据通信），机械层，电气层； USB数据通信协议：以差模串行信号为载体传送二进制代码来传输信号；数据包作为最基本的完整信息单元，包含了一系列数据信息； 软硬件结构：包括主机、Hub与设备架构； 主机与设备通信流程、步骤； 软硬件设计的方法等 2.结构概况 包：令牌包、握手包、数据包 域：同步序列域、包标识域、地址域、端点域、帧号域、数据域、CRC校验域 以包为基础，USB定义了四种传输类型：控制传输、中断传输、批量传输和同步传输   3.二进制数中位的发送顺序 大端：高地址存储低字节，低地址存储高字节 小端：小小大大 USB一般是首先发送LSB，然后发送近邻的下一位，最后发送MSB，即是大端发送 二、域 1、同步域SYNC

• 用于本地时钟与输入信号的同步，代表一个包的起始；
• 长度为8位，最后两个位为标志位，标明标志域PID的开始；
• 它的数值固定为00000001；
• 同步域位于每个包的最开始处

  2、标识域PID

• 位于同步域的后面，作用时标明包的类型和格式，并作为包的检测手段的一种；
• 由于同步域是由硬件来处理的，所有USB软件机制最先收到并处理的是标识域；
• USB主机和设备都要首先对收到的标识域进行解码，如果出现错误或是该标识域指明的类型或方向不被支持，那么这个包就会被忽略；
• 标识域有4位标识符加上这四位的反码组成（由此知道USB可以定义的包的类型总共有16种）；

  3、地址域ADDR

• 存放设备在主机上的地址，具有唯一性，并且地址由主机分配
• 地址域由7位二进制位组成
• 明显，最大地址容量为128个，地址0000000命名为零地址，是任何一个设备第一次连接到主机时在主机配置、枚举前的缺省地址，因此也知道一个主机最多能连接127个设备的原因

  4、端点域ENDP（也叫端点号）

• 从硬件的角度，端点其实就是一系列实际的物理数据缓冲区；
• 发送和接收的数据都放在这里；
• 每一种传输方式都有特定的端点；
• 端点一般都由USB接口芯片来提供；
• 端点域由四位二进制数组成，所有每个USB设备可以有16个端点，但是有特殊的情况，如低速设备只能有0和1两个端点；
• 除了0端点，其他端点都能定义为输入端点或输出端点，因此全速设备可以定义16+16=32个端点；
• 很多USB接口芯片已经确定了端点的数量和属性

  5、帧号域

• USB协议中，1帧即是1ms；
• USB总线上，一帧是一个独立的单元，包含了一系列的总线动作；
• USB将1帧分为好几份，每一份是USB的一个传输动作；
• 帧号域由11位二进制数组成，所以帧号的最大值为0x7FF，到这个数后，下一个是回到0

  6、数据域

• 数据长度为0-1023字节；
• 对于不同传输类型中，数据域的长度各不相同；
• 必须为整数个字节的数据；

  7、校验域（循环冗余检验域）

• 用来对令牌包和数据包中的PID域进行校验的一种方法；
• 对于令牌包，USB采用5位的CRC校验法；
• 对于数据包，USB采用16位的CRC校验法；

三、包 数据包：USB 总线上数据传输的最小单位，包括SYNC、数据及EOP 三个部分。其中数据的格式针对不同的包有不同的格式。但都以8 位的PID 开始。PID 指定了数据包的类型（共16 种）。令牌包即指PID 为IN/OUT/SETUP 的包。   令牌包：指定数据包去向或者来源的设备地址和端点（Endpoint），从而保证了只有一个设备对被广播的数据包/令牌包作出响应。   握手包：表示了传输的成功与否。 四、四种传输类型 1、事务 在介绍USB传输类型之前，请允许我先简答介绍一下USB事务。 事务一般由令牌包、数据包（可选）、握手包组成。

• 令牌包：用来启动一个事务，总是由主机发送。
• 数据包：可以从主机到设备，也可以由设备到主机，方向由令牌包决定。
• 握手包：通常情况，数据的接收者发送握手包（ACK或者NAK）。

USB协议规定了四种传输类型：控制传输、批量传输、同步传输、中断传输。下面简答介绍一下这四种传输类型及其注意事项。   2、控制传输 2.1. 控制传输分为三个过程：建立过程、数据过程（可选）、状态过程。 建立过程： a. 主机发送令牌包：SETUP b. 主机发送数据包：DATA0（8个字节，有确定的结构） c. 设备返回握手包：ACK或不应答，注意：设备不能返回NAK或STALL，即设备必须接收建立事务的数据。 数据过程（可选）： 一个数据过程可以包含多个数据事务，但所有数据事务必须是同一方向的。若数据方向发生了改变，则认为进入状态过程。数据过程的第一个数据包必须为DATA1，然后每次正确传输一个数据包后就在DATA0和DATA1之间交替。 状态过程： 状态过程只使用DATA1包，并且传输方向与数据过程相反。 2.2. 控制传输的应用场合：主要应用于设备的枚举过程和对数据准确性要求较高的场合。   3、同步传输

• 同步传输的应用场合：主要用在数据量大，对实时性要求较高的场合。如视频设备、音频设备等。

  4、批量传输

• 批量传输使用批量传输事务，一次批量传输事务分为三个阶段：令牌包阶段、数据我阶段、握手包阶段。
• 批量传输分为批量读和批量写，批量读使用批量输入事务，批量写使用批量输出事务。注意：不论输入还是输出都是以主机为参考的。
• 批量传输的应用场合：主要用在数据量大、对数据实时性要求不高的场合，例如USB打印机、扫描仪、大容量存储设备等等。

  批量输出流程： 1) 主机发送OUT令牌包。     说明：令牌包中包含设备地址、端点号。 2) 设备处理令牌包。

• 令牌包正确：设备等待接收数据包。
• 令牌包错误：设备既不接收、处理数据包，也不返回握手包，让主机等待超时。

注：令牌包的正确与否包括设备地址和端点号是否匹配。 3) 主机发送数据包，然后切换到接收模式，等待接收设备返回的握手包。     说明：数据包中包含一个DATA（具体是什么类型的DATA，取决于数据切换位）。 4) 设备处理数据包。

• 数据包正确，并有足够的空间保存数据：设备返回ACK握手包或NYET握手包（只有告诉模式才有NYET握手包，它表示本次数据接收成功，但是没有能力接收下一次传输）。
• 数据包正确，但是没有足够的空间保存数据：设备返回NAK握手包。主机收到NAK，延时一段时间后，再重新进行批量输出事务。
• 数据包正确，但端点处于挂起状态：设备返回一个STALL握手包。
• 数据包错误：设备不返回任何握手包，让主机等待超时。

批量输入流程： 1) 主机发送IN令牌包，然后切换到接收数据状态，等待设备返回数据。     说明：令牌包中包含设备地址、端点号。 2) 设备处理令牌包。

• 令牌包正确，且有数据需要返回：设备将一个数据包放到总线上。
• 令牌包正确，但没有数据需要返回：设备返回NAK握手包。主机收到NAK，延时一段时间后，再重新进行批量输入事务。
• 令牌包正确，但端点处于挂起状态：设备返回一个STALL握手包。
• 令牌包错误：设备不做任何响应，让主机等待超时。

3) 主机接收并处理数据包。

• 数据包正确：主机发送一个ACK握手包。
• 数据包错误：主机不做任何响应，让设备等待超时。

注：USB协议规定，不允许主机使用NAK握手包来拒绝接收数据包。 PING事务：

• PING事务只有令牌包和握手包。
• PING事务是USB2.0高速模式特有的，全速模式和低速模式没有。
• PING事务作用：主机探测设备是否有空间接收数据

  5、中断传输

• 中断传输是一种保证查询频率的传输。
• 中断端点在端点描述符中报告它的查询间隔，主机会保证在不小于这个时间间隔的范围内安排一次传输。
• 中断传输可以用来不断检测某个状态，当条件满足后，再使用批量传输来传送大量的数据。
• 中断传输和批量传输的结构基本上一样（除了对端点查询策略）。
• 中断传输的应用场合：主要用在数据量小，但对时间要求严格的场合。如人机接口设备(HID)中的鼠标、键盘、轨迹球。

五、数据流模型 1.端点

• 实际上就是设备硬件上具有一定大小的数据缓冲区；
• 每个端点具有唯一的地址；
• 主机通过端点和设备进行通信；
• 分类：IN事务端点、OUT事务端点、SETUP事务端点；
• 除了端点0，其他端点必须在设备被主机配置后才可以使用；

  2.管道

• 包括数据流管道（没有定义好的数据格式）和消息管道（有定义好的数据格式）；
• 与端点0的特殊性相配合---控制管道，通过该管道，主机可以获取描述USB设备的完整信息
• 管道一般只有在设计PC端的驱动程序和用户程序的编写时需要涉及；

  3.数据传输过程