USB 域，包，事务及传输

• 域组成包
• 包组成事务
• 事务组成传输

字节序

LSB

概览

域通常来说有八个

• SYNC
• PID
• ADDR
• ENDP：
• FRAME
• DATA
• CRC
• EOP

多个域组成包，USB 的包分为四大类

• token：令牌包
• data：数据包
• handshake：握手包
• special：特殊包

多个包组成不同的事务，事务通常有三个

• setup 事务
• out 事务
• in 事务

多个事务组成传输，共有四类传输

• 批量传输：bulk transaction
• 控制传输：control transaction
• 中断传输：interrupt transaction
• 等时传输：isochronous transaction

域

如下图所⽰，USB 通常有八个，即同步域 (SYNC)、包标识 (PID)、地址域 (ADDR)、端点域 (ENDP)、帧号域 (FRAME)、数据域 (DATA)，校验域 (CRC)，包结束 (EOP)。

注意，并不是每个 USB 包都包含上述的八个域，也就是说有些包只包含其中的⼏个域。

SYNC	PID	ADDR	ENDP	FRAME	DATA	CRC	EOP
8/32 bits	8 bits	7 bits	4 bits	11 bis	0-1024 bytes	5/16 bits	—

• SYNC
  同步域主要是通知对⽅数据传输开始，并提供同步时钟。对于低速设备和全速设备，同步域使⽤的是 00000001（⼆进制数）；对于⾼速设备使⽤的是 00000000 00000000 00000000 00000001。

• PID
  包标识主要⽤于标识包的类型，由 8 位组成：低 4 位是 PID 编码，⾼ 4 位是校验字段，是对低 4 位取反得到，USB 中各种包是通过 PID 字段来区分

• ADDR
  由于接⼊ USB 总线的设备可能有多个，因此需要引⼊地址域，以便于区分当前通信的设备是哪个设备。地址域包含 7 个数据位，最多可以指定 128 个地址，地址 0 ⽤作缺省地址，不分配给 USB 设备。对于 USB 总线上的每个设备，地址唯⼀

• ENDP：
  端点域⽤于指定 USB 总线上某个设备的⼀个端点号，包含 4 个数据位；全速 / ⾼速设备最多可以含有 16 个端点，低速设备最多含有 3 个端点。所有 USB 设备都必须含有⼀个端点号为 0 的端点，⽤于主机与设备间交换基本信息。除端点 0 外，其余的端点都是具体 USB 设备所特有的。地址域和端点域组合，明确了主机与设备间通信的通道。

• FRAME
  帧号字段⽤于指出当前帧的帧号，它仅在每帧 / 微帧开始的 SOF 令牌包中被发送，其数据位⻓度为 11 位，每传输⼀帧，主机就将其加 1。全速设备每毫米产生一个帧，高速设备每 125us 产生一个微帧，即每毫秒 8 个微帧

• DATA
  数据字段包含主机和 USB 设备间需要传输的数据，以字节为单位，最⼤⻓度为 1024，⽽实际⻓度取决于传输的具体情况。

• CRC
  校验域主要是为了校验通信数据的正确性。USB 令牌包和数据包中都使⽤了 CRC。但是，CRC 是发送⽅在进⾏位填充之前产⽣的，这样要求接收⽅在去除位填充之后，再对 CRC 字段进⾏译码。信息包中的 PID 字段本⾝含有校验，所以 CRC 计算不包含有 PID 部分。令牌包的 CRC 采⽤的是 5 位 CRC，数据包中的数据字段使⽤的是 16 位 CRC

• EOP
  全速 / 低速设备的 EOP 是一个大约 2 个数据位宽度的单端 0(SE0) 信号，高速设备的 EOP 使用故意的位填充错误来表示
  一个包被分成不同的域

包

域组成包

包 (Packet) 是 USB 系统中信息传输的基本单元，所以传输的数据都是以包为基本单位的

USB 的包分为四大类

• token：令牌包
• data：数据包
• handshake：握手包
• special：特殊包
  下图为 USB2.0 规范文档中提供的包的描述

token 令牌包

令牌包有 4 种

• OUT
• IN
• SOF
• SETUP

SOF 令牌

SYNC	PID	FRAME	CRC5	EOP
8/32 bits	8 bits	11 bis	5 bits	—

OUT 令牌 IN 令牌及 SETUP 令牌

SYNC	PID	ADDR	ENDP	CRC5	EOP
8/32 bits	8 bits	7 bits	4 bits	5 bits	—

OUT 令牌，IN 令牌及 SETUP 令牌的数据包格式是一样的

data 数据包

数据包有 4 种

• DATA0
• DATA1
• DATA2
• MDATA

SYNC	PID	byte0	byte1	…	byte N	CRC16	EOP
8/32 bits	8 bits	1 byte	1 byte	1 byte	1 byte	16 bits	—

不同速度的数据负载

• low speed：8 bytes
• full speed：1023 bytes
• high speed：1024 bytes

handshake 握手包

握手包有 4 种

• ACK
• NAK
• STALL
• NYET

SYNC	PID	EOP
8/32 bits	8 bits	—

special 特殊包

握手包有 4 种

• PRE：token
• ERR：handshake
• SPLIT：token
• PING：token

事务

包组成事务

事务组成

事务是由 2 个或者 3 个 包组成：令牌包，数据包，握手包

• 令牌包用来启动一个事务，总是由主机发送
• 数据包传送数据，可以从主机到设备，也可以从设备到主机，方向由令牌包来决定
• 握⼿包的发送者通常为数据接收者，当数据正确接收后，发送握⼿包，设备也可以使⽤ NACK 表⽰数据未准备好

注意，SOF 只是指⽰⼀帧的开始，⽆有效数据，并不是⼀次事务；EOF 帧发送结束后的⼀种电平状态，也不是事务

setup 事务

setup 事务处理并定义了 Host 与 Device 之间的特殊的数据传输，它仅适⽤于 USB 控制传输的建⽴阶段。如下图所⽰，设置事务通常有三种状态，即正常设置事务、设备忙设置事务和设备出错设置事务，正确的设置事务包括令牌、数据和握⼿三个阶段。
正常设置事务(握手包为 ACK)

设备忙设置事务(握手包为 NACK)

设备出错设置事务(握手包为 STALL)

out 事务

out 事务是主机向 USB 设备的某个端点中发送数据的过程，如下图所⽰，⼀个输出事务有三种状态，即正常的输出事务、设备忙时的输出事务和设备出错时的输出事务。正确的输出事务包括令牌、数据和握⼿三个阶段
正常的输出事务(握手包为 ACK)

设备忙时的输出事务(握手包为 NACK)

设备出错时的输出事务(握手包为 STALL)

in 事务

in 事务是主机从 USB 设备的某个端点中获取数据的过程，如下图所⽰，⼀个输⼊事务有三种状态，即正常的输⼊事务、设备忙或⽆数据时的输⼊事务和设备出错时的输⼊事务，正确的输⼊事务包括令牌包、数据包和握⼿包三个阶段
正常的输⼊事务(握手包为 ACK)

设备忙或⽆数据时的输⼊事务(握手包为 NAK)

设备出错时的输⼊事务(握手包为 STALL)

示例

上述抓包数据中，共有三次控制传输过程

第一次 setup 事务

SETUP 令牌包 + DATA0 数据包 + ACK 握手包

• 令牌包数据：2D 00 10

PID	ADDR	ENDP	CRC5
2DH(00101101B)	7 bits	4 bits	5 bits

PID[3:0] 为 1101B 即 SETUP 令牌，通知设备将要开始一个控制传输

• 数据包数据：C3 80 06 00 01 00 00 40 00 DD 94

PID	byte0	byte1	…	byte N	CRC16	EOP
C3H(11000011B)	80	06		00	DD 94	—

PID[3:0] 为 0011B 即 DATA0 数据包，主机输出的数据为：80 06 00 01 00 00 40 00

• 握手包数据：D2

PID
D2H(11010010B)

PID[3:0] 为 0010B 即 ACK 握手包

第二次 in 事务

IN 令牌包 + DATA1 数据包 + ACK 握手包

• 令牌包数据：69 00 10

PID	ADDR	ENDP	CRC5
69H(01101001B)	7 bits	4 bits	5 bits

PID[3:0] 为 1001B 即 IN 令牌，通知设备将要输入数据

• 数据包数据：4B 12 01 10 01 00 00 00 08 11 77

PID	byte0	byte1	…	byte N	CRC16	EOP
4BH(01001011B)	12	01		08	11 77	—

PID[3:0] 为 1011B 即 DATA1 数据包，输入到主机的数据为：12 01 10 01 00 00 00 08

• 握手包数据：D2

PID
D2H(11010010B)

PID[3:0] 为 0010B 即 ACK 握手包

第三次 out 事务

OUT 令牌包 + DATA1 数据包 + ACK 握手包

• 令牌包数据：E1 00 10

PID	ADDR	ENDP	CRC5
E1(11100001B)	7 bits	4 bits	5 bits

PID[3:0] 为 0001B 即 OUT 令牌，通知设备将要输出数据

• 数据包数据：4B 00 00

PID	CRC16
4BH(01001011B)	00 00

PID[3:0] 为 1011B 即 DATA1 数据包，主机没有输出任何数据。

• 握手包数据：D2

PID
D2H(11010010B)

PID[3:0] 为 0010B 即 ACK 握手包

传输

事务构成传输

下文中所有的图片来自 USB2.0 spec

批量传输

• 令牌包 + 数据包 + 握手包
  

控制传输

• 令牌包 + 数据包 + 握手包
  

中断传输

• 令牌包 + 数据包 + 握手包
  

等时传输

• 令牌包 + 数据包
  
  等时传输并没有应答包，数据是否正确，可以由数据包的 CRC 校验来确认。至于出错的数据如何处理，由软件来决定。