USB 四大傳輸方式有哪些？

一口Linux 2020-11-18 00:00

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我們知道，傳輸事務解決了主機、設備之間交互一次數據的問題（請看上節筆記 USB 之傳輸事務），但是有些端點是需要進行多次雙向傳輸或者多次單向傳輸的，同時因為設備的功能不同，所需要的帶寬和傳輸特性也不同，那么就需要一個更上層的機制解決以上問題，四大傳輸應運而生。

控制傳輸（ Control Transfers ）、中斷傳輸（ Interrupt Transfers ）、批量傳輸（ Bulk Transfers ）、同步傳輸（ Isochronous Transfers ）稱之為四大傳輸。

接下來我們看看這些傳輸各自的特點，同時了解一下這些傳輸方式在生活中的應用。

控制傳輸

一種可靠的雙向傳輸，所有USB設備必須支持的一種傳輸方式，該傳輸一般發生在端點 0 中，用于USB的枚舉、配置（也可能進行其他數據傳輸）等階段。而我們接下來需要詳細介紹的傳輸方式就是它。

當設備插入主機后，主機通過端點 0 （還記得前面說它是雙向端點嗎）進行控制傳輸，通過一系列的數據交互，主機可以了解設備有多少個接口，有多少可用的端點等各種設備信息。

你的設備能否被主機（電腦）正確識別，完全取決于控制傳輸能否正常進行，這是 USB 學習中最先遇到的攔路虎，也是很多人望而卻步的一個地方，但是希望大家通過魚鷹的介紹能夠真正掌握它。

在帶寬（所謂帶寬，可以認為主機對USB總線進行分時數據傳輸，比如1秒中使用100毫秒用于控制傳輸）使用上，高速端點的控制傳輸不能占用 20 %的微幀（125 us 一個微幀），全速和低速不能超過 10 %（1 ms 一幀）。

在控制傳輸中，為了實現完整的一次控制傳輸，一般由三個階段組成：

建立階段、數據階段（該階段可能沒有，由建立階段的數據決定）、狀態階段，每一個階段都由傳輸事務組成，即存在三個數據包的傳輸。

我們可以具體看看上面最簡單的無數據階段控制傳輸（其他傳輸類似）：

這里需要特別注意的是，建立階段一定是 DATA0 數據包，之后如果有數據階段，將進行翻轉，變成 DATA1 ，并且在每次正確數據傳輸后都會進行一次翻轉，這個機制用于保證數據被正確接收，而不是發送方發送的重復數據包（如果對方沒有正確接收數據，DATAx不會翻轉）。

在狀態階段，一律使用 DATA 1進行回復，狀態階段的數據包中的數據為空，也就是說不攜帶任何數據。

同時，根據建立階段中的數據要求不同，比如要求發送數據或者接收數據，將使用相反的 IN 或 OUT 令牌完成狀態階段，比如建立階段主機要求發送 15 字節到設備中，那么數據階段將先使用 OUT 令牌發送數據，之后在狀態階段主機將使用相反的 IN 令牌獲得空數據包。

因為傳輸時，可能需要多次傳輸事務才能完成數據階段，那么如何判斷對方數據傳輸已經完成，從而讓主機不再發送IN或OUT令牌包傳輸數據呢？

有兩種可能：

如果傳輸的數據大小剛好是端點支持數據大小的整數倍，比如一個端點最大數據包長度為64字節，如果傳輸128字節，就需要在最后發送一個空數據包。

而如果要傳輸127字節，那么因為最后一個包不是滿負載（只有63字節），所以也將認為數據傳輸完成。

也就是說，最后一個數據包一定不是滿載的，前面的數據包一定是滿載的。這代表了數據階段的結束。

當完成了以上幾個階段，一次控制傳輸才算完成。

正因為控制傳輸的情況比較復雜，所以學習起來也比較麻煩，不過魚鷹會在接下來的 CDC 教程中詳細介紹這種傳輸方式，目前暫時了解即可。

中斷傳輸

中斷傳輸時一種可靠的單向傳輸方式，采用定時輪詢的方式收發數據，每次主機對中斷端點查詢時，如果設備有數據傳輸，則返回數據，否則NAK，表示未準備好。

同理，如果是主機發送數據，如果設備沒有準備好接收，也將使用 NAK 回復。

如果需要雙向傳輸，必須使用 IN 和 OUT 兩個端點。

中斷傳輸的延遲有保證，也就是說，可以在有限的延遲中完成傳輸，并且支持錯誤重傳（在下一個周期進行重傳），所以它是可靠的。因為可能產生錯誤重傳，所以中斷傳輸也會采用 PID 翻轉的機制保證收發端數據的同步。

中斷傳輸一般用于對延遲要求比較嚴格，同時數據量較小，比如我們常見的鍵盤、鼠標就是采用中斷傳輸方式。

當你的鼠標、鍵盤插入電腦后，電腦在枚舉配置成功后，就會按照描述符中的查詢時間定時發送 IN 令牌包，獲取所需的數據，如果設備沒有數據發送，則回復 NAK。

對于全速端點，中斷傳輸的間隔在 1 ms 到 255 ms 之間，對于低速端點，間隔時間限制在10ms到255ms之間, 對于高速端點，間隔為2^bInterval-1×125us, bInterval的值在1到16之間。

CMSIS-DAP 調試器使用的就是中斷傳輸，全速模式下1 ms 64 字節一包數據，所以最大傳輸速率是64 K，速率不是很高，如果使用高速，可以達到125 us 1024 字節，還有一種高速高帶寬的中斷端點，125 us 微幀內可以進行三次中斷傳輸，即125 us 內可傳輸 3072 字節。

（注意上圖未畫出握手包）

批量傳輸

批量傳輸是一種可靠的單向傳輸，但是和中斷傳輸不同，傳輸延遲沒有保證，它會盡可能的利用可以利用的帶寬完成傳輸（說白了，就是個撿漏的），適合數據量比較大的傳輸。

當然如果說總線上只有批量傳輸，那么延遲也是能保證的，畢竟沒人和它競爭帶寬。

現實中，U盤就是采用批量傳輸，因為它對時間延遲不是那么嚴格，只要可靠的完成大量數據的傳輸即可。

低速設備不支持批量傳輸，高速設備批量最大包長度為512字節，全速批量可以為 8、16、32、64，選擇余地比較大。

因為會錯誤重傳，所以需要 PID 的翻轉機制，即按照 DATA0 – DATA1 – DATA0 – DATA1……的方式翻轉，允許 3 次以下的傳輸錯誤，超過三次，主機將認為端點功能錯誤（STALL），放棄該端點的傳輸，需要主機使用控制傳輸恢復該端點的功能。

注意上面的 STALL 回復，這個代表端點錯誤，一旦回復該 STALL，如果沒有主機干預，設備將一直使用 STALL 回復，說明該端點不支持該功能或者產生了錯誤。

同步傳輸

這種傳輸是四大傳輸中唯一不可靠的傳輸方式，但是好處就是可以保證帶寬，并且沒有延遲，而且因為是不可靠的傳輸，所以沒有握手包，也不支持 PID 翻轉，主機在安排這些傳輸事務時，同步傳輸擁有最高的優先級。

高速同步端點最大包長度為 1024，全速為 1023。

高速端點在一個微幀內僅允許一次同步傳輸事務，而高速高帶寬的同步端點可以在一個微幀內傳輸三次，即3072 Byte / 125us。

在現實中，這種傳輸用于攝像頭、USB音響等，因為它們對實時性要求比較高，但是可以容忍錯誤（攝像頭偶爾出現了一幀有錯誤的畫面，沒多大關系，因為下一幀畫面馬上就會傳過來）。

在前面的介紹中，一直都有幀、微幀的身影，那么它是什么？

我們知道，令牌包中有一種特殊的包，稱之為 SOF （start of frame）包，格式如下：

CRC校驗為 5 bit，和 11 bit 的幀號剛好湊成 16 bit 兩個字節。

高速設備中每過 125 us 發出一個微幀，全速每過 1 ms 發出一幀，之后才會開始數據傳輸。

主機在每個幀（微幀）的開始傳輸一個SOF，每次幀號加 1，當達到 0x7FF 時，將清零重新開始計數。

看圖理解 SOF 和其他傳輸的關系：

看上圖可以了解到，每過一定時間（1 ms或者 125 us），主機發出 SOF 包，接下來進行傳輸事務（四大傳輸中的一種），每一個傳輸事務中又包含了三個數據包（我們可以認為SOF就是 USB 總線中的時鐘信號）。

通過上圖，我們就可以理解幀、傳輸、傳輸事務、包之間的關系了。

再用另一個圖看看四大傳輸之間的關系：

可以看到，假如總線中有四類數據需要傳輸，那么主機將在每幀開始發送SOF包，然后優先安排同步傳輸，之后安排中斷傳輸，其次是控制傳輸，最后才是批量傳輸（大容量傳輸），所以說批量傳輸是專業撿漏的。

USB 四大傳輸方式有哪些？

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