一、USB 系统硬件框架和软件框架

1.1 实验现象

现象： 把 USB 设备比如 Android 手机接到 PC

• 右下角弹出"发现 android phone"

• 跳出一个对话框， 提示你安装驱动程序

  • 问 1：USB 设备插到电脑上去， 接触到的对方设备是什么？
    答 1：是 USB 控制器，是 USB 控制器内嵌的 root hub

  • 问 2. 既然还没有"驱动程序"，为何能知道是"android phone"？

    答 2. windows 里已经有了 USB 的总线驱动程序， 接入 USB 设备后， 是"总线驱动程序" 知道你是"android phone"、提示你安装的是"设备驱动程序"。USB 总线驱动程序负责：识 别 USB 设备, 给 USB 设备找到对应的驱动程序。

  • 问 3. 为什么一接入 USB 设备， PC 机就能发现它？

    答 3. PC 的 USB 口内部，D-和 D+接有 15K 的下拉电阻， 未接 USB 设备时为低电平。USB 设备的 USB 口内部， D-或 D+接有 1.5K 的上拉电阻；它一接入 PC，就会把 PC USB 口的 D-或 D+拉高，从硬件的角度通知 PC 有新设备接入。

  • 问 4. USB 设备种类非常多，为什么一接入电脑， 就能识别出来它的种类？

    答 4. PC 和 USB 设备都得遵守一些规范。比如： USB 设备接入电脑后， PC 机会发出"你 是什么"？USB 设备就必须回答"我是 xxx", 并且回答的格式是固定的。USB 总线驱动程序会 发出某些命令想获取设备信息(描述符)，USB 设备必须返回"描述符"给 PC。

  • 问 5. PC 机上接有非常多的 USB 设备， 怎么分辨它们？

    答 5. 每一个 USB 设备接入 PC 时， USB 总线驱动程序都会给它分配一个编号。 PC 机想 访问某个 USB 设备时，发出的命令都含有对应的编号(地址)。

  • 问 6. USB 设备刚接入 PC 时， 还没有编号； 那么 PC 怎么把"分配的编号"告诉它？

    答 6. 新接入的 USB 设备的默认编号是 0，在未分配新编号前， PC 使用 0 编号和它通 信。

1.2 硬件框架

在 USB 系统中， 有 2 个硬件概念：

• USB Host：它跟处理器相连，处理器通过 USB Host 跟各类 USB 设备通信。 USB Host 中 集成有一个 root hub

• USB Device：这分为两类设备

  • Hub：用来扩展 USB 接口
  • Function：就是普通的 USB 设备，比如 U 盘、声卡等

1.3 软件框架

APP 可以通过 USB 设备驱动程序访问 USB 设备，也可以绕过 USB 设备驱动，直接通过 USB 控制器驱动访问 USB 设备。

二、USB 电气信号

参考资料：

• 《圈圈教你玩 USB》

• 简书 jianshu_kevin@126.com 的文章

  • https://www.jianshu.com/p/3afc1eb5bd32
  • https://www.jianshu.com/p/cf8e7df5ff09
  • USB 协议(三)：https://www.jianshu.com/p/2a6e22194cd3

• 官网：https://www.usb.org/documents

• 《usb_20.pdf》的《chapter5 7 Electrical》

• USB 的 NRZI 信号格式： https://zhuanlan.zhihu.com/p/460018993

• USB2.0 包 Packet 的组成： https://www.usbzh.com/article/detail-459.html

2.1 USB 设备状态切换图

USB 2.0 协议支持 3 种速率： 低速(Low Speed，1.5Mbps)、全速(Full Speed, 12Mbps)、 高速(High Speed, 480Mbps)。

USB Hub、USB 设备， 也分为低速、全速、高速三种类型。 一个 USB 设备， 可能兼容低速、全速， 可能兼容全速、高速， 但是不会同时兼容低速、高速。

2.2 硬件线路

下图是兼容高速模式的 USB 收发器电路图：

USB 连接涉及 Hub Port 和 USB 设备，硬件连接如下：

2.3 电子信号

USB 连接线有 4 条： 5V、D+、D-、GND。数据线 D+、D-，只能表示 4 种状态。 USB 协议 中，很巧妙地使用这两条线路实现了空闲(Idle)、开始(SOP)、传输数据(Data)、结束(EOP) 等功能。

2.4 低速/全速信号电平

2.5 高速信号电平

2.6 设备连接与断开

2.6.1 连接

Hub 端口的 D+、D-都有 15K 的下拉电阻，平时为低电平。全速设备内部的 D+有 1.5K 的 上拉电阻， 低速设备内部的 D-有 1.5K 的上拉电阻，连接到 Hub 后会导致 Hub 的 D+或 D-电 平变化，Hub 根据变化的引脚分辨接进来的是全速设备还是低速设备。

高速设备一开始也是作为全速设备被识别的。

全速设备、高速设备连接时， D+引脚的电平由低变高：

低速设备连接时，D-引脚的电平由低变高：

2.6.2 断开

对于低速、全速设备，接到 Hub 时导致 D-或 D+引脚变为高电平， 断开设备后， D-或 D+ 引脚变为低电平：

对于高速设备，它先作为全速设备被识别出来，然后再被识别为高速设备。工作于高速模式时， D+的上拉电阻是断开的，所以对于工作于高速模式的 USB 设备， 无法通过 D+的 引脚电平变化监测到它已经断开。

工作于高速模式的设备， D+、D-两边有 45 欧姆的下拉电阻，用来消除反射信号：

当断开高速设备后， Hub 发出信号，得到的反射信号无法衰减， Hub 监测到这些信号后就知道高速设备已经断开，内部电路图如下：

2.7 复位

从状态切换图上看，一个 USB 设备连接后，它将会被供电， 然后被复位。当软件出错时，我们也可以发出复位信号重新驱动设备。

那么， USB Hub 端口或 USB 控制器端口如何发出复位信号？ 发出 SE0 信号，并维持至少 10ms。

USB 设备看到 Reset 信号后，需要准备接收"SetAddress()“请求； 如果它不能回应这个请求， 就是"不能识别的设备”。

2.8 设备速率识别

2.8.1 低速/全速

Hub 端口的 D+、D-都有 15K 的下拉电阻，平时为低电平。全速设备内部的 D+有 1.5K 的上拉电阻， 低速设备内部的 D-有 1.5K 的上拉电阻，连接到 Hub 后会导致 Hub 的 D+或 D-电

平变化，Hub 根据变化的引脚分辨接进来的是全速设备还是低速设备。

2.8.2 高速

高速设备必定兼容全速模式， 所以高速设备内部 D+也有 1.5K 的上拉电阻， 只不过这个电阻是可以断开的： 工作于高速模式时要断开它。

高速设备首先作为全速设备被识别出来，然后 Hub 如何确定它是否支持高速模式？ Hub 端口如何监测一个新插入的 USB 设备能否工作于高速模式？ 流程如下：

• 对于低速设备，Hub 端口不会监测它能否工作于高速模式。低速设备不能兼容高速模式。
• Hub 端口发出 SE0 信号，这就是复位信号
• USB 设备监测到 SE0 信号后，会发出"a high-speed detection handshake"信号表示自己能支持高速模式， 这可以细分为一下 3 种情景：
  • 如果 USB 设备原来处于"suspend"状态，它检测到 SE0 信号后， 就发出"a high- speed detection handshake"信号。
  • 如果 USB 设备原来处于"non-suspend"状态，并且处于全速模式， 它检测到 SE0 信号后， 就发出"a high-speed detection handshake"信号。这个情景，就是一个设备刚插 到 Hub 端口时的情况，它一开始工作于全速模式。
  • 如果 USB 设备原来处于"non-suspend"状态， 并且处于高速模式，它会切换回到全速模式(重新连接 D+的上拉电阻)，然后发出"a high-speed detection handshake"信号。

“a high-speed detection handshake"信号，就是"高速设备监测握手信号”，既然是握手信号， 自然是有来有回：

• USB 设备维持 D+的上拉电阻，发出"Chirp K "信号， 表示自己能支持高速模式
• 如果 Hub 没监测到"Chirp K "信号， 它就知道这个设备不支持高速模式
• 如果 Hub 监测到"Chirp K “信号后， 如果 Hub 能支持高速模式， 就发出一系列的"Chirp K”、"Chirp J"信号，这是用来通知 USB 设备： Hub 也能支持高速模式。发出一系列的 “Chirp K”、"Chirp J"信号后，Hub 继续维持 SE0 信号直到 10ms。
• USB 设备发出"Chirp K “信号后，就等待 Hub 回应一系列的"Chirp K”、"Chirp J"信号
  • 收到一系列的"Chirp K"、"Chirp J"信号： USB 设备端口 D+的上拉电阻，使能高速模式
  • 没有收到一系列的"Chirp K"、"Chirp J"信号： USB 设备转入全速模式

2.9 数据信号

2.9.1 低速/全速的 SOP 和 EOP

SOP：Start Of Packet，Hub 驱动 D+、D-这两条线路从 Idle 状态变为 K 状态。 SOP 中的 K 状态就是 SYNC 信号的第 1 位数据， SYNC 格式为 3 对 KJ 外加 2 个 K。

EOP：End Of Packet，由数据的发送方发出EOP，数据发送方驱动D+、D-这两条线路， 先设为 SE0 状态并维持 2 位时间， 再设置为 J 状态并维持 1 位时间， 最后 D+、D-变为高阻状态， 这时由线路的上下拉电阻使得总线进入 Idle 状态。

2.9.2 高速的 SOP

高速的 EOP 比较复杂，作为软件开发人员无需掌握。

高速模式中，Ide 状态为：D+、D-接地。SOP 格式为： 从 Idle 状态切换为 K 状态。 SOP 中的 K 状态就是 SYNC 信号的第 1 位数据。

高速模式中的 SYNC 格式为：KJKJKJKJ KJKJKJKJ KJKJKJKJ KJKJKJKK，即 15 对 KJ，外 加 2 个 K。

2.9.3 SYNC 同步域

同步域(SYNC),这个域固定为 0000 0001,这个域通过 NRZI 编码之后,就是一串方波(NRZI 遇 0 翻转遇 1 不变),接受者可以用这个 SYNC 域来同步之后的数据信号。

因为在 USB 的 NRZI 编码下,逻辑 0 会造成电平翻转,所以接受者在接受数据的同时,根据接收到的翻转信号不断调整同步频率,保证数据传输正确。但是,这样还是会有一个问题,就是虽然接受者可以主动和发送者的频率匹配,但是两者之间总会有误差。假如数据信号是 1000 个逻辑 1,经过 USB的 NRZI 编码之后,就是很长一段没有变化的电平,在这种情况下,即使接受者的频率和发送者相差千分之一,就会造成把数据采样成 1001 个或者 999 个1 了。USB 对这个问题的解决办法,就是强制插 0,也就是传说中的 bit-stuffing,如果要传输的数据中有 7 个连续的 1,发送前就会在第 6 个 1 后面强制插入一个 0,让发送的信号强制出现翻转,从而强制接受者进行频率调整。接受者只要删除 6 个连续 1 之后的 0,就可以恢复原始的数据了。

• 低速或全速的同步域为00000001
• 高速的同步域为31个0，后面为一个1

2.9.4 NRZI 与位填充

参考文章：USB 的 NRZI 信号格式, https://zhuanlan.zhihu.com/p/460018993

使用UART和I2C/SPI通信简单说明：

NRZI：Non Return Zero Inverted Code，反向不归零编码。 NRZI 的编码方位为：对于数据 0，波形翻转；对于数据 1，波形不变。

使用 NRZI，发送端可以很巧妙地把"时钟频率"告诉接收端： 只要传输连续的数据 0 即可。在下图中， 低速/全速协议中"Sync Pattern"的原始数据是"00000001"，接收端从前面的 7 个 0 波形就可以算出"时钟频率"。

使用 NRZI 时， 如果传输的数据总是"1"，会导致波形维持不变。如果电平长时间维持不变， 比如传输 100 位 1 时， 如果接收方稍有偏差，就可能认为接收到了 99 位 1、101 位 1。而 USB 中采用了 Bit-Stuffing 位填充处理，即在连续发送 6 个 1 后面会插入 1 个 0，强制翻转发送信号，从而让接收方调整频率，同步接收。而接收方在接收时只要接收到连续 的 6 个 1 后，直接将后面的 0 删除即可恢复数据的原貌。

NRZI 数据格式如上图所示。

三、USB 协议层数据格式

3.1 硬件拓扑结构

由下图可见，Host跟各个Device是一主多从的关系。为什么Host能发送数据到指定的Device，这时我们就需要对其发送的数据包进行解析。每个Device有各自的地址，所以这个数据包必定包含了Device的地址和端点，并且还含有目的和方向（读、写数据），在3.5中有包的格式图。

compound device ：多个设备组合起来，通过 HUB 跟 Host 相连

composite device ：一个物理设备有多个逻辑设备(multiple interfaces)

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， Hos 可以外接多个逻辑设备， 硬件拓扑图如 下：

Host发送数据到Device：

Host从Device上读取数据：

3.2 协议层

要理解协议层、理解数据如何传输，带着这几个问题去看文档、看视频：

• 如何寻址设备？
• 如何表示数据方向(读、还是写)
• 如何确认结果？

提前罗列出答案：

• USB 系统是一个 Host 对应多个设备， 要传输数据首先要通知设备：
  • 发出 IN 令牌包： 表示想读数据，里面含有设备地址
  • 发出 OUT 令牌包：表示想写数据， 里面含有设备地址
• 数据阶段：
  • Host 想读数据： 前面发出 IN 令牌包后， 现在读取数据包
  • Host 想发出数据：前面发出 OUT 令牌包后， 现在发出数据包
• 结果如何？有握手包
  • Host 想读数据， 设备可能未就绪， 就会回应 NAK 包
  • Host 想写数据， 它发出数据后，设备正确接收了， 就回复 ACK 包

3.3 字节/位传输顺序

先传输最低位(LSB)。在后续文档中，描述数据时按照传输顺序从左到右列出来

3.4 SYNC 域

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"。

3.5包格式

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？
  • 发给所有设备：包里不含有设备地址
  • 发给某个设备：包里含有设备地址、端点号
• 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。

3.5.1 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：

• 令牌包(Token)：01B
• 数据包(Data)：11B
• 握手包(Handshake)：10B
• 特殊包(Special)：00B

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。

3.5.2 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：

3.5.3 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：

• Host 发送 DATA0 给设备，设备返回 ACK 表示成功接收， 设备期待下一个数据是 DATA1
• 但是 Host 没有接收到 ACK，Host 认为数据没有发送成功，Host 继续使用 DATA0 发送上 一次的数据
• 设备再次接收到 DATA0 数据包， 它就知道：哦，这是重传的数据包

数据包格式如下：

对于全速设备， 数据包中的数据做大是 1023 字节；对于全速设备， 数据包中的数据做 大是 1024 字节。

3.5.4 握手包

握手包有 4 类： ACK、NAK、STALL、NYET

• ACK：数据接收方用来回复发送方，表示正确接收到了数据并且有足够的空间保存数据。
• NAK：Host 发送数据给设备时， 设备可以回应 NAK 表示"我还没准备好，没办法接收数据"； Host 想读取设备的数据时， 设备可以回复 NAK 表示"我没有数据给你"。
• STALL：表示发生了错误，比如设备无法执行这个请求(不支持该断点等待)、断点已经挂起。设备返回 STALL 后，需要主机进行干预才能接触 STALL 状态。
• NYET：仅适用于高速设备。 Host 可以发出 PING 包用来确认设备有数据，设备可以回应 NYET 表示"还没呢"。Hub 也可以回应 NYET 表示低速/全速传输还没完结。

3.6 传输细节

3.6.1 传输(Transfer)和事务(Transaction)

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：

  • 批量事务：用来传输大量的数据，数据的正确性有保证，时效没有保证。
  • 中断事务：用来传输周期性的、小量的数据， 数据的正确性和时效都有保证。
  • 实时事务：用来传输实时数据， 数据的正确性没有保证，时效有保证。
  • 建立事务：跟批量事务类似，只不过令牌包是 SETUP 令牌包。

• 有四类传输(Transfer)：

  • 批量传输：就是使用批量事务实现数据传输， 比如 U 盘。
  • 中断传输：就是使用中断事务实现数据传输， 比如鼠标。
  • 实时传输：就是使用实时事务实现数据传输， 比如摄像头。
  • 控制传输：由建立事务、批量事务组成，所有的 USB 设备都必须支持控制传输， 用于" 识别/枚举"。（一个批量传输由多个事务实现）

• 暂时记住这个关系：

  • BIT 组成域(Field)
  • 域组成包(Packet)
  • 包组成事务(Transaction)
  • 事务组成传输(Transfer)

3.6.2 过程(stage)和阶段(phase)

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：

• Host 发出 OUT 令牌包， 表示要发数据给哪个设备
• Host 发出 DATA0 数据包
• 设备收到数据后， 回应 ACK 包

这个完整的事务涉及 3 个包(Packet)，分为 3 个阶段(Phase)：

• 令牌阶段(Token phase)：由令牌包实现
• 数据阶段(Data phase)：由数据包实现
• 握手阶段(Handshake phase)：由握手包实现

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：

• 控制传输由多个过程(stage)组成， 每个过程由一个事务来实现
• 每个事务由多个阶段(phase)组成， 每个阶段有一个包来实现

3.6.3 批量传输

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。

批量传输就是批量事务的一次或多次重复。批量传输还有特殊包：Ping包。Host可以发出Ping包来询问Device有没有数据，要是Device有数据会回复ACK，没有数据回复NAK，出错回复SATLL。

《圈圈教你玩 USB》中有详细的示例：

3.6.4 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。

所有的中断传输都是由Host主动发起，主动去操作设备的，即Host->Device，中断传输相比于批量传输在于：比如中断传输在1s里面每隔一定时间会去通过中断事务访问Device。

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：

• Host 每隔 n 毫秒发出一个 IN 令牌包

• 鼠标有数据的话，发出 DATA0 或 DATA1 数据包给 Host；鼠标没有数据的话，发出 NAK 给 Host。

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。

3.6.5 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：

• 实时事务不要求准确性，没有握手阶段

• 实时事务传输的数据量比较大， 中断事务传输的数据量比较小

3.6.6 控制传输

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)。

• 建立过程(stage)，使用 SETUP 事务：Host 发出 SETUP 令牌包（通知Device要开启一个控制传输 是无方向的）、DATA0 数据包（Host和Device会约定好DATA0数据包的固定格式来决定 Host是要写入或者读取什么数据）、得到 ACK 握手包

• 数据过程(stage)，使用批量事务：

  • 对于输出：Host 发出 OUT 令牌包，发出 DATA0、DATA1 数据包、得到 ACK 握手包
  • 对于输入：Host 发出 IN 令牌包，读到 DATA0、DATA1 数据包、发出 ACK 握手包 ③ 状态过程(stage)，使用批量事务：
  • 对于输出：Host 发出 IN 令牌包，读到 DATA1 数据包，发出 ACK 握手包 b. 对于输入：Host 发出 OUT 令牌包，发出 DATA1 数据包，等待 ACK 握手包

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。

Set up过程发送Set up事务，这个事务分为三个阶段，一个是令牌阶段，一个是数据阶段，还有一个是握手阶段，在令牌阶段发送的是令牌包（Host->Device），数据阶段发送的是数据包（Host->Device），握手阶段接收到的是设备返回的握手包（Device->Host）。

发送过程：当我们发起一个控制传输，发送很多数据给Device后，Device会返回一个状态，回应过程如下：

需要注意的是令牌包是IN，当发送完令牌包后，Device会发送数据包给Host，但此时里面是没有数据的，发送的只是与前面的DATA1对应（前面是DATA1 这里也是DATA1）的数据号，这里只是要表示一个前面发送成功的状态，当其返回的data数据长度为0时，说明发送成功，最后Host返回一个握手包给Device，表示接收成功。如果此时Device正在忙，则会发送NAK给Host，流程比起上面会少掉中间的第二行数据包发送，第三行的PID包则为NAK。

读取过程：由Device告诉Host，即Device->Host。在读取数据时，不断的发送令牌包且PID包为IN，Host不断发给Device，最后需要Device发送包给Host来告诉Host数据是否完全读取完毕，但由上面发送过程的图可知，读取数据的最后一位是Host向Device发送的OUT，最后的输出过程是Host发送给Device，并不是发送给Device告诉其数据是否读取完毕，这里详细过程如下：

Host向指定Device发送令牌包后，并不会向其中写入任何数据（发送的是OUT所以应该写入数据），发送完毕后Device接收到则会向Host发送握手包，其中握手包的PID包会向Host表明此时状态，真正意义上是Host的读取状态。

3.7 使用工具体验数据格式

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。

官网是：https://teledynelecroy.com/，似乎无法注册新用户，无法下载软件。 可以在搜索引擎里搜"usbprotocolsuite"。

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：