USB協議基本知識
USB 基本知識
USB的重要關鍵概念:
1、 端點：位於USB設備或主機上的一個數據緩衝區，用來存放和發送USB的各種數據，每一個端點都有惟一的確定地址，有不同的傳輸特性（如輸入端點、輸出端點、配置端點、批量傳輸端點）
2、 幀：時間概念，在USB中，一幀就是1MS，它是一個獨立的單元，包含了一系列總線動作，USB將1幀分爲好幾份，每一份中是一個USB的傳輸動作。
3、upstream、downstream(上行、下行)：設備到主機爲上行，主機到設備爲下行
下面以一問一答的形式開始學習吧：
問題一：USB的傳輸線結構是如何的呢？
答案一：一條USB的傳輸線分別由地線、電源線、D+、D-四條線構成，D+和D-是差分輸入線，它使用的是3.3V的電壓（注意哦，與CMOS的 5V電平不同），而電源線和地線可向設備提供5V電壓，最大電流爲500MA
問題二：數據是如何在USB傳輸線裏面傳送的
答案二：數據在USB線裏傳送是由低位到高位發送的。
問題三：USB的編碼方案？
答案三：USB採用不歸零取反來傳輸數據，當傳輸線上的差分數據輸入0時就取反，輸入1時就保持原值，爲了確保信號發送的準確性，當在USB總線上發送一個包時，傳輸設備就要進行位插入***作（即在數據流中每連續6個1後就插入一個0），從而強迫NRZI碼發生變化。這個瞭解就行了，這些是由專門硬件處理的。
問題四：USB的數據格式是怎麼樣的呢？
答案四：和其他的一樣，USB數據是由二進制數字串構成的，首先數字串構成域（有七種），域再構成包，包再構成事務（IN、OUT、SETUP），事務最後構成傳輸（中斷傳輸、並行傳輸、批量傳輸和控制傳輸）。下面簡單介紹一下域、包、事務、傳輸，請注意他們之間的關係。
（一）域：是USB數據最小的單位，由若干位組成（至於是多少位由具體的域決定），域可分爲七個類型：
1、同步域（SYNC），八位，值固定爲0000 0001，用於本地時鐘與輸入同步
2、標識域（PID），由四位標識符+四位標識符反碼構成，表明包的類型和格式，這是一個很重要的部分，這裏可以計算出，USB的標識碼有16種，具體分類請看問題五。
3、地址域（ADDR）：七位地址，代表了設備在主機上的地址，地址000 0000被命名爲零地址，是任何一個設備第一次連接到主機時，在被主機配置、枚舉前的默認地址，由此可以知道爲什麼一個USB主機只能接127個設備的原因。
4、端點域（ENDP），四位，由此可知一個USB設備有的端點數量最大爲16個。
5、幀號域（FRAM），11位，每一個幀都有一個特定的幀號，幀號域最大容量0x800，對於同步傳輸有重要意義（同步傳輸爲四種傳輸類型之一，請看下面）。
6、數據域（DATA）：長度爲0~1023字節，在不同的傳輸類型中，數據域的長度各不相同，但必須爲整數個字節的長度
7、校驗域（CRC）：對令牌包和數據包（對於包的分類請看下面）中非PID域進行校驗的一種方法，CRC校驗在通訊中應用很泛，是一種很好的校驗方法，至於具體的校驗方法這裏就不多說，請查閱相關資料，只須注意CRC碼的除法是模2運算，不同於10進制中的除法。
（二）包：由域構成的包有四種類型，分別是令牌包、數據包、握手包和特殊包，前面三種是重要的包，不同的包的域結構不同，介紹如下
1、令牌包：可分爲輸入包、輸出包、設置包和幀起始包（注意這裏的輸入包是用於設置輸入命令的，輸出包是用來設置輸出命令的，而不是放據數的）
其中輸入包、輸出包和設置包的格式都是一樣的：
SYNC+PID+ADDR+ENDP+CRC5（五位的校驗碼）
幀起始包的格式：
SYNC+PID+11位FRAM+CRC5（五位的校驗碼）
2、數據包：分爲DATA0包和DATA1包，當USB發送數據的時候，當一次發送的數據長度大於相應端點的容量時，就需要把數據包分爲好幾個包，分批發送，DATA0包和DATA1包交替發送，即如果第一個數據包是 DATA0，那第二個數據包就是DATA1。但也有例外情況，在同步傳輸中（四類傳輸類型中之一），所有的數據包都是爲DATA0，格式如下：
SYNC+PID+0~1023字節+CRC16
3、握手包：結構最爲簡單的包，格式如下
SYNC+PID
USB的四種傳輸類型：
1. 控制傳輸：
控制傳輸是一種可靠的雙向傳輸，一次控制傳輸可分爲三個階段。第一階段爲從HOST到Device的SETUP事務傳輸，這個階段指定了此次控制傳輸的請求類型；
第二階段爲數據階段，也有些請求沒有數據階段；第三階段爲狀態階段，通過一次IN/OUT 傳輸表明請求是否成功完成。
控制傳輸通過控制管道在應用軟件和 Device 的控制端點之間進行，控制傳輸過程中傳輸的數據是有格式定義的，USB 設備或主機可根據格式定義解析獲得的數據含義。
其他三種傳輸類型都沒有格式定義。
控制傳輸對於最大包長度有固定的要求。對於高速設備該值爲 64Byte；對於低速設備該值爲 8；全速設備可以是 8或 16或 32或 64。
最大包長度 表徵了一個端點單次接收/發送數據的能力，實際上反應的是該端點對應的Buffer 的大小。Buffer 越大，單次可接收/發送的數據包越大，反之亦反。
當通過一個端點進行數據傳輸時， 若數據的大小超過該端點的最大包長度時，需要將數據分成若干個數據包傳輸，並且要求除最後一個包外，所有的包長度均等於該最大包長度。
這也就是說如果一個端點收到/發送了一個長度小於最大包長度的包，即意味着數據傳輸結束。
控制傳輸在訪問總線時也受到一些限制，如：
a. 高速端點的控制傳輸不能佔用超過 20%的微幀，全速和低速的則不能超過 10%。
b. 在一幀內如果有多餘的未用時間，並且沒有同步和中斷傳輸，可以用來進行控制傳輸。
2. 中斷傳輸：
中斷傳輸是一種輪詢的傳輸方式，是一種單向的傳輸，HOST通過固定的間隔對中斷端點進行查詢，若有數據傳輸或可以接收數據則返回數據或發送數據，否則返回NAK，表示尚未準備好。
中斷傳輸的延遲有保證，但並非實時傳輸，它是一種延遲有限的可靠傳輸，支持錯誤重傳。
對於高速/全速/低速端點，最大包長度分別可以達到1024/64/8 Bytes。
高速中斷傳輸不得佔用超過 80%的微幀時間，全速和低速不得超過 90%。
中斷端點的輪詢間隔由在端點描述符中定義，全速端點的輪詢間隔可以是1~255mS，低速端點爲10~255mS，高速端點爲(2interval-1)*125uS，其中 interval取 1到 16之間的值。
除高速高帶寬中斷端點外，一個微幀內僅允許一次中斷事務傳輸，高速高帶寬端點最多可以在一個微幀內進行三次中斷事務傳輸，傳輸高達 3072 字節的數據。
所謂單向傳輸，並不是說該傳輸只支持一個方向的傳輸，而是指在某個端點上該傳輸僅支持一個方向，或輸出，或輸入。如果需要在兩個方向上進行某種單向傳輸，需要佔用兩個端點，
分別配置成不同的方向，可以擁有相同的端點編號。
3. 批量傳輸：
批量傳輸是一種可靠的單向傳輸，但延遲沒有保證，它儘量利用可以利用的帶寬來完成傳輸，適合數據量比較大的傳輸。
低速 USB 設備不支持批量傳輸，高速批量端點的最大包長度爲 512，全速批量端點的最大包長度可以爲 8、16、32、64。
批量傳輸在訪問 USB 總線時，相對其他傳輸類型具有最低的優先級，USB HOST 總是優先安排其他類型的傳輸，當總線帶寬有富餘時才安排批量傳輸。
高速的批量端點必須支持PING 操作，向主機報告端點的狀態，NYET 表示否定應答，沒有準備好接收下一個數據包，ACK 表示肯定應答，已經準備好接收下一個數據包。
4. 同步傳輸：
同步傳輸是一種實時的、不可靠的傳輸，不支持錯誤重發機制。只有高速和全速端點支持同步傳輸，高速同步端點的最大包長度爲 1024，低速的爲 1023。
除高速高帶寬同步端點外，一個微幀內僅允許一次同步事務傳輸，高速高帶寬端點最多可以在一個微幀內進行三次同步事務傳輸，傳輸高達 3072 字節的數據。
全速同步傳輸不得佔用超過 80%的幀時間，高速同步傳輸不得佔用超過 90%的微幀時間。 同步端點的訪問也和中斷端點一樣，有固定的時間間隔限制。
在主機控制器和 USB HUB 之間還有另外一種傳輸——分離傳輸（Split Transaction），它僅在主機控制器和 HUB之間執行，通過分離傳輸，可以允許全速/低速設備連接到高速主機。
分離傳輸對於USB 設備來說是透明的、不可見的。
分離傳輸：顧名思義就是把一次完整的事務傳輸分成兩個事務傳輸來完成。其出發點是高速傳輸和全速/低速傳輸的速度不相等，如果使用一次完整的事務來傳輸，勢必會造成比較長的等待時間，
從而降低了高速 USB 總線的利用率。通過將一次傳輸分成兩此，將令牌（和數據）的傳輸與響應數據（和握手）的傳輸分開，這樣就可以在中間插入其他高速傳輸，從而提高總線的利用率。