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一、域、包、事务的概念

在USB协议中，域（Domain）、**包（Packet）和事务（Transaction）**是三个关键的概念，它们定义了USB数据传输的结构和流程。以下是对这三个概念的详细解释：

1. 域（Domain）

在USB数据传输中，**域（Domain）**是指逻辑上的数据区域，通常用于定义不同的传输层次和设备操作模式。然而，在USB协议中，更常用的术语是“域（Domain）”。尽管它不如“包（Packet）”和“事务（Transaction）”常见，某些文献中可能会用到这个术语来描述设备和主机之间的数据流向。

2. 包（Packet）

**包（Packet）**是USB传输中的基本数据单位。每个包包含了数据传输所需的各种信息。USB包的主要类型包括：

• 数据包（Data Packet）：传输实际的数据内容。
• 地址包（Address Packet）：包含设备地址，用于指定数据的目标设备。
• 命令包（Command Packet）：用于传输控制信息，如设置或获取设备状态。

每个USB包由三个主要部分组成：

• 起始位（Start of Packet, SOP）：指示包的开始。
• 数据字段（Data Field）：包含实际的数据内容或控制信息。
• 结束位（End of Packet, EOP）：指示包的结束。

包的类型：

• Token Packet（令牌包）：用于控制传输。包含地址、数据包类型和一些标志位。
• Data Packet（数据包）：实际的数据传输单位。分为IN和OUT数据包。
• Handshake Packet（握手包）：用于确认数据包的接收状态。包括ACK（确认）、NAK（未确认）和STALL（错误）。

3. 事务（Transaction）

**事务（Transaction）**是在USB协议中进行的数据传输单元。一个事务包含了从主机到设备或从设备到主机的整个数据传输过程。一个完整的事务通常由以下几个部分组成：

1. 令牌阶段（Token Phase）：

   • 主机发送一个令牌包（Token Packet），指定目标设备地址和数据方向（IN/OUT）。令牌包用于开始一个新的数据传输事务。

2. 数据阶段（Data Phase）：

   • 这是实际的数据传输部分。数据阶段可以包括一个或多个数据包：
     • IN 事务：主机请求设备发送数据。
     • OUT 事务：主机发送数据到设备。

3. 握手阶段（Handshake Phase）：

   • 在数据阶段之后，主机或设备发送握手包（Handshake Packet），确认数据包是否成功接收。握手包包括：
     • ACK（Acknowledgment）：确认数据包成功接收。
     • NAK（Not Acknowledged）：数据包未成功接收，设备需要重新传输。
     • STALL：设备无法处理数据包，通常是由于错误或无效请求。

总结

• 域（Domain）：在某些上下文中用来描述逻辑数据区域，在USB协议中并不常用，但可以理解为设备或主机之间的数据流向或逻辑区分。
• 包（Packet）：USB数据传输的基本单位，包括令牌包、数据包和握手包。每个包包含起始位、数据字段和结束位。
• 事务（Transaction）：一个完整的数据传输单元，包括令牌阶段、数据阶段和握手阶段。用于定义从主机到设备或从设备到主机的完整数据传输过程。

这三个概念共同定义了USB数据传输的结构和流程，使得USB通信能够高效且可靠地进行。

二、USB数据包格式

USB数据包格式图：

在USB协议中，数据包的结构和内容是确保数据传输正确和高效的关键。以下是对USB数据包中关键元素的详细解释，包括SOP、SYNC、PID、地址、帧号、数据、和CRC校验码。

1. SOP（Start of Packet）

• SOP 是数据包的起始标志。它用来表示数据包的开始，以便主机和设备能够正确地识别包的边界。每个USB数据包的开始部分包含一个SOP信号，它是通过特定的电平变化来实现的。

2. SYNC（Synchronization）

• SYNC 信号用于同步主机和设备的时钟。在数据传输之前，USB协议会发送同步信号来确保主机和设备在相同的时钟周期上，从而避免数据传输中的时序问题。SYNC信号由一系列特定的状态序列组成，用于让接收设备准备好接收数据。

3. PID（Packet Identifier）

• PID 是包标识符，用来表示包的类型。PID位于每个数据包的头部，指示包的类型和功能。常见的PID类型包括：
  • OUT：主机向设备发送数据。
  • IN：设备向主机发送数据。
  • SETUP：主机发送控制请求数据。
  • ACK：确认数据包的成功接收。
  • NAK：未确认数据包，指示需要重发。
  • STALL：表示设备不能处理请求，通常由于错误或不支持的请求。

4. 地址

• USB地址 是用于确定数据包目标设备的标识符。USB系统中，一个主机（Host）可以连接多个设备，每个设备都有一个唯一的地址：
  • 发给所有设备：当包中不包含特定的设备地址时，数据包会被广播到所有连接的设备。这通常用于设备初始化或重置时。
  • 发给某个设备：当包中包含了设备地址和端点号时，数据包会被送往指定的设备和端点。地址和端点号用于路由数据到特定设备和设备内的特定功能。

5. 帧号、数据等与PID相关的内容

• 帧号（Frame Number）：在USB中，数据传输是以帧为单位进行的。每一帧有一个帧号，用于在数据传输中提供时序和同步。帧号对于同步数据和确认数据包的顺序很重要。
• 数据：数据字段包含实际的数据内容。在IN事务中，数据由设备发送到主机；在OUT事务中，数据由主机发送到设备。
• PID 与数据字段：PID用于指示数据包的类型，而数据字段包含了实际的数据内容或控制信息。PID与数据字段一起定义了包的功能和内容。

6. CRC 校验码

• CRC（Cyclic Redundancy Check） 校验码用于验证数据传输的完整性。每个数据包的尾部包含一个CRC校验码，用于检测数据在传输过程中是否发生了错误。CRC是通过特定的算法计算的，用于检查数据是否被正确接收。

数据包结构的总结

一个USB数据包通常包括以下部分：

1. SOP（Start of Packet）：标记数据包的开始。
2. SYNC（Synchronization）：同步主机和设备的时钟。
3. PID（Packet Identifier）：标识数据包的类型。
4. 地址（Address）：指定数据包的目标设备。
5. 数据（Data）：实际的数据内容。
6. CRC 校验码：校验数据的完整性。
7. EOP（End of Packet）：标记数据包的结束。

例子

IN 数据包的结构如下：

• SOP：数据包的开始信号。
• SYNC：同步信号。
• PID：IN标识符。
• 地址：目标设备地址。
• 数据：从设备到主机的数据内容。
• CRC 校验码：数据的完整性校验码。
• EOP：数据包的结束信号。

这样，USB的数据包结构通过这些元素确保数据的正确传输和完整性，同时提供了设备间通信的完整框架。

三、PID分类

在USB协议中，PID（Packet Identifier） 用于标识数据包的类型。PID的分类帮助USB系统区分不同类型的数据包，从而执行相应的操作。PID主要分为四类：数据类（Data Packets）、握手类（Handshake Packets）、令牌类（Token Packets） 和 特殊类（Special Packets）。

1. 数据类（Data Packets）

数据类包用于传输实际的数据。这些数据包包含数据字段，用于在主机和设备之间传输信息。数据类包有以下类型：

• DATA0：这是第一个数据包，主机向设备发送的数据包标识符。它表示数据的奇偶性为0（即第一个数据包）。
• DATA1：这是第二个数据包，主机向设备发送的数据包标识符。它表示数据的奇偶性为1（即第二个数据包）。

DATA0 和 DATA1 主要用于数据传输的奇偶性控制，以确保数据传输的完整性和正确性。在数据传输过程中，主机和设备会交替使用 DATA0 和 DATA1 数据包来确认数据是否正确接收。

2. 握手类（Handshake Packets）

握手类包用于确认数据包的接收状态，确保数据传输的正确性和完整性。握手类包有以下类型：

• ACK（Acknowledge）：表示数据包已成功接收，设备或主机可以继续进行数据传输。
• NAK（Not Acknowledge）：表示数据包未被成功接收，通常由于设备未准备好或缓冲区满。设备或主机需要重新传输数据包。
• STALL：表示设备无法处理数据包，通常是由于错误或设备不支持请求。设备需要处理特定的错误条件或状态。

握手类包用于确保数据传输的成功性，若出现问题或错误，设备或主机可以通过这些握手包进行重新传输或调整操作。

3. 令牌类（Token Packets）

令牌类包用于在主机和设备之间发起和控制数据传输。令牌类包包括以下类型：

• OUT：主机向设备发送数据的请求。设备将数据从主机接收，并根据数据包的内容进行处理。
• IN：设备向主机发送数据的请求。设备将数据发送到主机，主机根据数据包的内容进行处理。
• SETUP：主机发送控制请求数据，通常用于设置设备的状态或配置设备。控制请求可能包括获取设备描述符或设置设备参数。

令牌类包的目的是发起和控制数据传输过程中的不同阶段，如数据接收、数据发送和设备配置等。

4. 特殊类（Special Packets）

特殊类包包括一些不属于常规数据传输和握手的特定数据包：

• SOF（Start of Frame）：用于标记每一帧的开始，通常在全速和低速设备中出现，用于同步数据传输。SOF包包含帧号，用于设备和主机之间的同步。
• PRE：在USB 2.0中出现的预同步包，用于通知设备即将开始数据传输。它帮助设备准备好接收数据。
• SETUP：虽然SETUP包在令牌类中，但它也可以被视为特殊类型的包，因为它用于发送控制请求。

总结

• 数据类包（Data Packets）：用于传输实际数据。主要包括 DATA0 和 DATA1。
• 握手类包（Handshake Packets）：用于确认数据包的接收状态。包括 ACK、NAK 和 STALL。
• 令牌类包（Token Packets）：用于发起和控制数据传输过程。包括 OUT、IN 和 SETUP。
• 特殊类包（Special Packets）：用于特定目的，如 SOF 和 PRE，用于帧同步和预同步。

这些PID分类帮助USB系统管理和控制数据传输的各个阶段，确保数据在主机和设备之间高效、准确地传输。

四、数据包类型

在USB协议中，DATA0、DATA1、DATA2 和 MDATA 是四种数据包类型，用于在主机和设备之间进行数据传输。每种数据包类型有其特定的用途和功能。以下是对这四种数据包类型的详细解释：

1. DATA0

• DATA0 包含数据传输中的第一个数据包。它用于主机到设备的 OUT 事务或设备到主机的 IN 事务。
• DATA0 数据包用于数据传输的奇偶性控制。每次数据传输时，主机和设备交替使用 DATA0 和 DATA1，以确保数据传输的完整性和正确性。DATA0 表示数据的奇偶性为0。
• 在每次新的数据传输时，数据包的奇偶性会切换，以帮助检测数据包丢失或错误。

2. DATA1

• DATA1 包含数据传输中的第二个数据包。它与 DATA0 配合使用，用于主机到设备的 OUT 事务或设备到主机的 IN 事务。
• DATA1 数据包用于数据传输的奇偶性控制。它表示数据的奇偶性为1。主机和设备交替使用 DATA0 和 DATA1 数据包来确保数据传输的正确性。
• 数据传输过程中的奇偶性切换有助于检测传输中的数据错误和丢失。

3. DATA2

• DATA2 数据包用于支持更高级的数据传输模式，特别是在USB 2.0中。它用于增加数据传输的效率，并处理大容量数据传输。
• DATA2 数据包类似于 DATA0 和 DATA1，但它引入了额外的控制和同步机制，以支持更高的数据传输速率。DATA2 数据包表示数据的奇偶性为2，通常用于更复杂的数据传输过程。
• 这类数据包通常用于需要多次数据传输的场景，如大容量数据传输。

4. MDATA

• MDATA 数据包用于高速USB数据传输模式下的多数据传输。在USB 2.0的高速模式下，MDATA 数据包允许设备一次性发送多个数据包，减少了传输的开销和延迟。
• MDATA 数据包允许在一个传输周期内发送多个数据包，提高了数据传输的效率和带宽。它是为了支持更高效的数据传输而引入的。
• 在高速数据传输模式下，MDATA 包可以显著提高数据传输的吞吐量，特别是在大数据量的应用场景中。

总结

• DATA0 和 DATA1 数据包用于基本的数据传输模式，它们通过交替的奇偶性控制来确保数据传输的正确性。
• DATA2 数据包用于支持更高级的数据传输模式，特别是在USB 2.0中，提供了额外的控制和同步机制。
• MDATA 数据包用于高速数据传输模式下的多数据传输，提高了数据传输的效率和带宽。

这四种数据包类型的使用和管理有助于确保USB通信的高效性和可靠性。