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来源:嵌入式Linux系统开发发布时间:2023-06-112441浏览
询问 AI1. 硬件拓扑结构
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，Host 可以外接多个逻辑设备，硬件拓扑图如下：
要理解协议层、理解数据如何传输，带着这几个问题去学习：
提前罗列出来：
先传输最低位(LSB)。描述数据时按照传输顺序从左到右列出来。
Host 发出 SOP 信号后，就会发出 SYNC 信号：它是一系列的、最大传输频率的脉冲，接收方使用它来同步数据。对于低速/全速设备，SYNC 信号是 8 位数据(从做到右是 00000001)；对于高速设备，SYNC 信号是 32 位数据(从左到右是00000000000000000000000000000001)。使用 NRZI 编码时，前面每个 "0" 都对应一个跳变。
在很多文档里，把 SOP 和 SYNC 统一称 为"SYNC"，它的意思是 "SYNC" 中含有 "SOP"。
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？
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。那么，第 1 个包里含有【设备地址、端点号】，后续的包就没必要包含设备地址、端点号。
2.3.1 PID 域注意：所有的 USB 文档提到的"输入"、"输出"，都是基于 Host 的角度，"输出"表示从 Host 输出到设备，"输入"表示 Host 从设备得到数据。
有哪些 USB 包？根据包数据里的 PID 的 bit1, bit0 可以分为4类：
PID 有 4 位，使用 bit1,bit0 确定分类，使用 bit3,bit2 进一步细分。如下表(来自《圈圈教你玩USB》)所示：
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。
2.3.2 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：
2.3.3 数据包Host 使用 OUT、IN、SETUP 来通知设备：我要传输数据了。数据通过"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：
数据包大小在不同传输模式下有不同规定，格式如下：
最大数据有效载荷：低速设备为 8 字节，全速设备是 1023 字节，高速设备为 1024 字节。
2.3.4 握手包握手包有 4类 ：ACK、NAK、STALL、NYET
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：
有四类传输(Transfer)：
暂时记住这个关系：
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：
这个完整的事务涉及 3 个包(Packet)，分为 3 个阶段(Phase)：
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：
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。
下图中各个矩形框就对应一个完整的包。
《圈圈教你玩USB》中有详细的示例：
2.4.4 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。
下图中各个矩形框就对应一个完整的包。
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：
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。
2.4.5 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。
下图中各个矩形框就对应一个完整的包。
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：
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)。
上图中的每一个方框，都是一个完整的事务，含有：Token Packet、Data Packet、Handshake Packet。
LeCroy(力科)成立于 1964 年，是一家专业生产示波器厂家。旗下生产有数字示波器、SDA 系列数字示波器、混合信号示波器、模块化仪器、任意波形发生器。可以在搜索引擎里搜"usbprotocolsuite" 下载 USB 抓包工具。
安装"usbprotocolsuite"后，可以在文档目录里找打很多示程序(后缀名为usb)：
使用"usbprotocolsuite"打开这些文件，即可体验 USB 数据传输：
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