linux驱动由浅入深系列：usb子系统之一(域、包、事务、传输的基本概念)

本文从usb协议的物理层讲起，对usb建立一个整体的概念再进行逐步细化。

下图是usb2.0协议的物理层连线，其中包括一根地线、一根电源线（在usb2.0中电源线仅支持到5V 500mA，目前随着人们需求的日益膨胀，在后续协议中usb线提供的供电能力正在不断增加）、两根差分数据线DP、DM（使用差分线的好处是增加抗干扰能力，能够更快速的串行传输数据，这个有概念就可以了，在此不做深入探讨）。

USB的数据格式

DP、DM数据线上传输的还是程序员熟悉的0和1，然后由若干个二进制数据（不同的域有各自的定义）组在一起叫做‘域’，由若干个‘域’组成‘包’，再由若干个‘包’组成‘事务’，最后若干个‘事务’组成‘传输’。USB的数据格式其实比较简单，只是各种名字比较多，下表梳理了一下各个名词之间的层次关系：

传输（最大单位）（由事务组成）

控制、批量、中断、同步

事务（由包组成）

In、Out、SetUp

包（有域组成）

令牌、数据、握手、特殊

域（最小单位）

SYNC、PID、ADDR、ENDP、FRAM、DATA、CRC

下图是一个实际的usb mass-storage读取数据的抓包分析，下面我们结合此图与上表逐个分析一个其中的各个名词：

点击图片查看大图

（一）域：

域是USB数据最小的单位，由若干位组成（至于是多少位由具体的域决定），域可分为七个类型：

1、同步域（SYNC），八位，值固定为00000001，用于本地时钟与输入同步

2、标识域（PID），由四位标识符+四位标识符反码构成，表明包的类型和格式，这是一个很重要的部分，这里可以计算出，USB的标识码有16种。

3、地址域（ADDR）：七位地址，代表了设备在主机上的地址，地址000 0000被命名为零地址，是任何一个设备第一次连接到主机时，在被主机配置、枚举前的默认地址，由此可以知道为什么一个USB主机只能接127个设备的原因。

4、端点域（ENDP），四位，由此可知一个USB设备有的端点数量最大为16个。

5、帧号域（FRAM），11位，每一个帧都有一个特定的帧号，帧号域最大容量0x800，对于同步传输有重要意义（同步传输为四种传输类型之一，请看下面）。

6、数据域（DATA）：长度为0~1023字节，在不同的传输类型中，数据域的长度各不相同，但必须为整数个字节的长度

7、校验域（CRC）：对令牌包和数据包（对于包的分类请看下面）中非PID域进行校验的一种方法，CRC校验在通讯中应用很泛，是一种很好的校验方法，至于具体的校验方法这里就不多说，请查阅相关资料，只须注意CRC码的除法是模2运算，不同于10进制中的除法。 

（二）包：

由域构成的包有四种类型，分别是令牌包、数据包、握手包和特殊包，前面三种是重要的包，不同的包的域结构不同，介绍如下 

1、令牌包：可分为输入包、输出包、设置包和帧起始包（注意这里的输入包是用于设置输入命令的，输出包是用来设置输出命令的，而不是放据数的）

其中输入包、输出包和设置包的格式都是一样的：

SYNC+PID+ADDR+ENDP+CRC5（五位的校验码） 

帧起始包的格式：

SYNC+PID+11位FRAM+CRC5（五位的校验码） 

2、数据包：分为DATA0包和DATA1包，当USB发送数据的时候，当一次发送的数据长度大于相应端点的容量时，就需要把数据包分为好几个包，分批发送，DATA0包和DATA1包交替发送，即如果第一个数据包是DATA0，那第二个数据包就是DATA1。但也有例外情况，在同步传输中（四类传输类型中之一），所有的数据包都是为DATA0，格式如下：

SYNC+PID+0~1023字节+CRC16 

3、握手包：结构最为简单的包，格式如下

SYNC+PID 

（注上面每种包都有不同类型的，USB1.1共定义了十种包） 

（三）事务：

事务分别有IN事务、OUT事务和SETUP事务三大事务，每一种事务都由令牌包、数据包、握手包三个阶段构成，这里用阶段的意思是因为这些包的发送是有一定的时间先后顺序的，事务的三个阶段如下：

1、令牌包阶段：启动一个输入、输出或设置的事务

2、数据包阶段：按输入、输出发送相应的数据

3、握手包阶段：返回数据接收情况，在同步传输的IN和OUT事务中没有这个阶段，这是比较特殊的。

事务的三种类型如下（以下按三个阶段来说明一个事务）：

1、 IN事务：

令牌包阶段——主机发送一个PID为IN的输入包给设备，通知设备要往主机发送数据；

数据包阶段——设备根据情况会作出三种反应（要注意：数据包阶段也不总是传送数据的，根据传输情况还会提前进入握手包阶段）

1） 设备端点正常，设备往入主机里面发出数据包（DATA0与DATA1交替）；

2） 设备正在忙，无法往主机发出数据包就发送NAK无效包，IN事务提前结束，到了下一个IN事务才继续；

3） 相应设备端点被禁止，发送错误包STALL包，事务也就提前结束了，总线进入空闲状态。

握手包阶段——主机正确接收到数据之后就会向设备发送ACK包。 

2、 OUT事务：

令牌包阶段——主机发送一个PID为OUT的输出包给设备，通知设备要接收数据；

数据包阶段——比较简单，就是主机会设备送数据，DATA0与DATA1交替

握手包阶段——设备根据情况会作出三种反应

1）设备端点接收正确，设备往入主机返回ACK，通知主机可以发送新的数据，如果数据包发生了CRC校验错误，将不返回任何握手信息；

2） 设备正在忙，无法往主机发出数据包就发送NAK无效包，通知主机再次发送数据；

3） 相应设备端点被禁止，发送错误包STALL包，事务提前结束，总线直接进入空闲状态。 

3、SETUT事务：

令牌包阶段——主机发送一个PID为SETUP的输出包给设备，通知设备要接收数据；

数据包阶段——比较简单，就是主机会设备送数据，注意，这里只有一个固定为8个字节的DATA0包，这8个字节的内容就是标准的USB设备请求命令（共有11条，具体请看问题七）

握手包阶段——设备接收到主机的命令信息后，返回ACK，此后总线进入空闲状态，并准备下一个传输（在SETUP事务后通常是一个IN或OUT事务构成的传输） 

（四）传输：

传输由OUT、IN、SETUP事务其中的事务构成，传输有四种类型，中断传输、批量传输、同步传输、控制传输，其中中断传输和批量转输的结构一样，同步传输有最简单的结构，而控制传输是最重要的也是最复杂的传输。

1、中断传输：由OUT事务和IN事务构成，用于键盘、鼠标等HID设备的数据传输中

2、批量传输：由OUT事务和IN事务构成，用于大容量数据传输，没有固定的传输速率，也不占用带宽，当总线忙时，USB会优先进行其他类型的数据传输，而暂时停止批量转输。

3、同步传输：由OUT事务和IN事务构成，有两个特殊地方，第一，在同步传输的IN和OUT事务中是没有返回包阶段的；第二，在数据包阶段所有的数据包都为DATA0

4、控制传输：最重要的也是最复杂的传输，控制传输由三个阶段构成（初始设置阶段、可选数据阶段、状态信息步骤），每一个阶段可以看成一个的传输，也就是说控制传输其实是由三个传输构成的，用来于USB设备初次加接到主机之后，主机通过控制传输来交换信息，设备地址和读取设备的描述符，使得主机识别设备，并安装相应的驱动程序，这是每一个USB开发者都要关心的问题。

1、初始设置步骤：就是一个由SET事务构成的传输

2、可选数据步骤：就是一个由IN或OUT事务构成的传输，这个步骤是可选的，要看初始设置步骤有没有要求读/写数据（由SET事务的数据包阶段发送的标准请求命令决定）

3、状态信息步骤：顾名思义，这个步骤就是要获取状态信息，由IN或OUT事务构成构成的传输，但是要注意这里的IN和OUT事务和之前的INT和OUT事务有两点不同：

1）传输方向相反，通常IN表示设备往主机送数据，OUT表示主机往设备送数据；在这里，IN表示主机往设备送数据，而OUT表示设备往主机送数据，这是为了和可选数据步骤相结合；

2） 在这个步骤里，数据包阶段的数据包都是0长度的，即SYNC+PID+CRC16

除了以上两点有区别外，其他的一样