3. USB 传输类型：特性与适用场景

USB 协议定义了四种传输类型，分别针对不同的带宽、延迟和可靠性需求。理解这四种传输类型是编写 USB 设备驱动的核心基础。每种传输类型在 USB 规范中对应特定的端点描述符，驱动开发者必须根据硬件特性选择合适的传输方式。

3.1 控制传输 (Control Transfer)

控制传输是 USB 设备枚举和配置的基础，也是唯一必须被所有 USB 设备支持的传输类型。它用于主机与设备之间的命令/状态交互，例如读取设备描述符、设置配置、发送类特定命令等。

3.1.1 控制传输的四个阶段

1. SETUP 阶段： 主机向设备发送 8 字节的 USB 请求块 (USB Request Block, URB)，包含请求类型、请求码、参数等信息。
2. DATA 阶段（可选）： 根据 SETUP 阶段的方向位，主机或设备传输数据。数据长度由 SETUP 阶段指定。
3. STATUS 阶段： 用于确认数据阶段是否成功完成。方向与 DATA 阶段相反。
4. 完成回调： 当 URB 完成或发生错误时，内核调用注册的回调函数通知驱动。

3.1.2 适用场景

• 设备枚举： 获取设备描述符、配置描述符、接口描述符等。
• 标准请求： 设置地址、设置配置、清除端点暂停等。
• 类特定命令： HID 报告描述符获取、大容量存储设备的 SCSI 命令封装。
• 厂商自定义命令： 固件升级、设备模式切换、寄存器读写。

3.2 批量传输 (Bulk Transfer)

批量传输用于传输大量数据，但不保证固定的延迟。它利用 USB 总线空闲时的带宽，当总线繁忙时可能被延迟。批量传输具有硬件级别的 CRC 校验和重传机制，确保数据完整性。

3.2.1 批量传输的 URB 编程要点

/* 批量传输 URB 初始化示例 */
struct urb *bulk_urb;
void *bulk_buffer;
dma_addr_t bulk_dma;

/* 1. 分配 URB */
bulk_urb = usb_alloc_urb(0, GFP_KERNEL);
if (!bulk_urb)
    return -ENOMEM;

/* 2. 分配 DMA 缓冲区 */
bulk_buffer = usb_alloc_coherent(udev, BULK_BUFFER_SIZE,
                                 GFP_KERNEL, &bulk_dma);
if (!bulk_buffer) {
    usb_free_urb(bulk_urb);
    return -ENOMEM;
}

/* 3. 填充 URB */
usb_fill_bulk_urb(bulk_urb, udev,
                  usb_rcvbulkpipe(udev, BULK_IN_EP),
                  bulk_buffer, BULK_BUFFER_SIZE,
                  bulk_completion_callback, NULL);

/* 4. 设置 DMA 句柄 */
bulk_urb->transfer_dma = bulk_dma;
bulk_urb->transfer_flags |= URB_NO_TRANSFER_DMA_MAP;

/* 5. 提交 URB */
ret = usb_submit_urb(bulk_urb, GFP_KERNEL);

3.2.2 适用场景

3.3 中断传输 (Interrupt Transfer)

中断传输用于传输少量、周期性、对延迟敏感的数据。尽管名称包含“中断”，但 USB 中断传输实际上是主机轮询设备的过程，设备不能主动发起传输。主机根据端点描述符中的 bInterval 字段定期轮询设备。

3.3.1 中断传输的轮询机制

/* 中断传输 URB 初始化示例 */
struct urb *intr_urb;
void *intr_buffer;

intr_urb = usb_alloc_urb(0, GFP_KERNEL);
intr_buffer = kmalloc(INT_BUFFER_SIZE, GFP_KERNEL);

/* 填充中断 URB */
usb_fill_int_urb(intr_urb, udev,
                 usb_rcvintpipe(udev, INT_IN_EP),
                 intr_buffer, INT_BUFFER_SIZE,
                 intr_completion_callback, NULL,
                 interval);  /* 轮询间隔，单位：ms (全速) 或 125µs 帧 (高速) */

/* 提交 URB，开始轮询 */
usb_submit_urb(intr_urb, GFP_KERNEL);

3.3.2 适用场景

• HID 设备： 键盘、鼠标、游戏手柄的输入报告。
• 人机交互设备： 触摸屏、手写板、条码扫描器。
• 物理量传感器： 温度传感器、加速度计、陀螺仪的数据读取。
• 设备状态通知： USB 集线器的端口状态变化、打印机状态反馈。

3.4 等时传输 (Isochronous Transfer)

等时传输用于传输实时性要求极高、允许少量数据丢失的流数据。它提供预分配的固定带宽，保证传输速率恒定，但不提供重传机制。等时传输没有握手阶段，数据一旦出错即被丢弃。

3.4.1 等时传输的 URB 结构

/* 等时传输 URB 初始化示例 */
struct urb *iso_urb;
int packets_per_urb = 8;  /* 每个 URB 包含多个等时包 */

iso_urb = usb_alloc_urb(packets_per_urb, GFP_KERNEL);
iso_urb->dev = udev;
iso_urb->pipe = usb_rcvisocpipe(udev, ISO_IN_EP);
iso_urb->transfer_buffer = iso_buffer;
iso_urb->transfer_buffer_length = ISO_BUFFER_SIZE;
iso_urb->complete = iso_completion_callback;
iso_urb->number_of_packets = packets_per_urb;
iso_urb->interval = 1;  /* 每个微帧传输一次 */

/* 设置每个等时包的偏移和长度 */
for (i = 0; i < packets_per_urb; i++) {
    iso_urb->iso_frame_desc[i].offset = i * ISO_PACKET_SIZE;
    iso_urb->iso_frame_desc[i].length = ISO_PACKET_SIZE;
}

usb_submit_urb(iso_urb, GFP_KERNEL);

3.4.2 适用场景

3.5 四种传输类型对比总结