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USB通讯原理协议摘要

2008-08-0114:33

概述

USB总线的限制是主从结构，有一个Host和多个Device。Host负责总线的带宽

管理（帧的编组），Device枚举，Device的编址。Device对Host在总线上的行

为做出回应，如从总线上读取数据或写出数据，处理或生成回应。

USB总线的数据线由两根差分信号线D+D-构成，Host和Device都挂接在这两

条信号线上通讯。

USB协议内容分两大块，一个是对通讯逻辑进行分层定义；一个是对设备的组成

逻辑进行分层定义。

通讯逻辑

USB通讯的逻辑结构分成三层：

包（packet）：信号层上传送的若干连续位流构成一个包，包由信号层定义；事

务（transaction）：一组相关的包（packet）构成了个事务，事务由协议层定义；

传输（transfer）：一组相关的事务构成一个传输，传输由数据传输层定义；端点

（endpoint)：进行事务处理的实体；接口（interface)：进行传输处理的实体；包

（packet）的格式：包有四种：令牌包／数据包／握手包／前导包。这四种包还有

些子类。一个包是哪种，由PID标识。令牌包

数据包

握手包

PID

注：当USB的令牌包的PID是SOF时，期数据字段必需为11位的帧序列号；2.0

的USB协议中定义了更多的PID。

事务（transaction）的种类：有输入（IN）、输出（OUT）、设置（SETUP）、

帧起始（SOF）、帧结尾（EOF），基本和令牌包的种类一致。它并不画出单独

的示意图，而体现在传输（transfer)示意图的各个可能的分支里SOF和EOF较

特别，协议本身并没有将它们当成一种事务类型

事务（transaction)的特点：

＊数据包的最大长度为1023个字节，一个事务最多只有一个数据包；

＊数据处理依次由Host限制，一个事务的包不会分到不同的帧里；

＊事务处理中，包的传输是依次，如令牌包总在数据包之前传送；

＊令牌包都是由Host发出的；

＊设备Device依据令牌包确定自己是否发送数据，不能主动发送数据；

帧：是Host对总线进行带宽管理、流量安排的单位，由若干事务（transaction)构

成（不是传输），一个帧在时间上看来，是对总线1ms的占用

传输（transfer)：有4种，批量传输(bulk)、限制传输(control)、中断传输

(interrupt)、实时传输(isochronous)

批量传输(bulk)：传送大块数据，不要求有周期性的或肯定的数据传输速率。它

可占用总线所任何可用带宽来传输，假如总线带宽被必需保证带宽的传输占用时，

它可以等待。它采纳数据检错和重传，还保证数据正确传输

解读：当主机要起先一次输入的批量传输（bulktransfer）时，向总线上发送一个

IN的令牌包（packet），设备收到令牌后，向总线上发送DATA或NAK或STALL，

主机如收到DATA，则向总线上发送一个ACK；一次输出的批量传输（bulk

transfer）与此类似

控制传输(control)：用于传输吩咐。全部吩咐都是Host发起的。全部设备Device

都要支持限制传输。是非周期性的传输，但要优点占用总线。只有限制传输是

双向的，而别的传输都是单向的。分成三个阶段(stage)：设置阶段、数据（可选）

阶段、状态阶段；各个阶段由一个事务处理（transaction）构成

中断传输(interrupt)：用于Host接收Device的事务信息。Host给中断传输的设备

安排肯定的总线带宽，周期性地通过中断传输接收此设备的信息，达到与传统中

断方式相同的目的，（也就是定时查询）。1.1版协议起先支持IN／OUT的中断

传输。也是一种牢靠的传输方式。

实时传输(isochronous)：速率保证，正确性不保证。

USB设备的组成逻辑：以例子说明，一个HID设备，具有鼠标、键盘、嬉戏杆

功能，但同一时刻，鼠标和嬉戏杆只能选一个。因此，一个设备（设备描述符），

可以有两种配置（配置描述符），一种配置由若干接口（接口描述符）（鼠标＋

键盘键盘＋嬉戏杆）构成，接口interface对应传输transfer，每个接口有多个端

点endpoint，对应着事务transaction。全部配置里，都会有一个端口