2. USB批量传输协议基础

批量传输（Bulk Transfer）是USB体系中唯一提供数据完整性保证且不占用固定带宽的传输类型。在Gadget驱动中，批量传输是吞吐量优化的主战场。本节从端点特性、事务格式、数据包大小与NAK机制三个维度拆解批量传输的底层协议规则。

2.1 批量传输端点特性

批量端点与其他端点类型（控制、中断、同步）的关键区别在于：没有预留带宽，且硬件自动重试。下表列出批量端点的核心属性：

批量端点必须成对使用（一个IN端点 + 一个OUT端点），且端点号通常从1开始（端点0为控制端点保留）。在Linux Gadget驱动中，批量端点通过 usb_ep 结构体描述，其 maxpacket 字段决定了单次传输的数据载荷上限。

2.2 批量传输事务格式

USB批量传输采用令牌-数据-握手三段式事务结构。每个批量事务由主机发起，包含三个连续的包阶段：

1. 令牌包（Token Packet）：主机发送OUT令牌（写设备）或IN令牌（读设备），包含设备地址和端点号。
2. 数据包（Data Packet）：数据源（主机OUT或设备IN）发送0~1024字节的数据载荷，附带CRC16校验。
3. 握手包（Handshake Packet）：接收方返回ACK（成功）、NAK（忙）或STALL（错误）。

下图展示一个完整的批量OUT事务（主机→设备）的包序列：

批量IN事务（设备→主机）的包序列与OUT对称，区别在于：

• 令牌包为IN令牌（主机请求数据）。
• 数据包由设备发送，主机接收。
• 握手包由主机返回ACK（成功接收）或NAK（缓冲区满）。

2.3 数据包大小与最大包限制

批量传输的数据包大小受端点描述符中的wMaxPacketSize约束。不同USB速度下的批量最大包大小如下：

数据包大小对性能的影响体现在两个方面：

• 协议开销占比：每个批量事务有20字节的协议开销（令牌+握手+帧间隔）。包越大，有效载荷占比越高。
• DMA对齐：许多USB控制器要求DMA缓冲区地址和大小对齐到wMaxPacketSize边界，否则触发PIO模式，性能骤降。

下图展示不同包大小下的有效带宽利用率（假设HS 480 Mbps，忽略帧调度延迟）：

2.4 NAK机制与流控

NAK（Negative Acknowledge）是批量传输的核心流控手段。当设备端无法立即处理数据时（如缓冲区满或DMA未就绪），硬件自动返回NAK握手包，通知主机重试当前事务。

NAK机制的工作流程如下：

1. 主机发起批量事务（OUT或IN令牌）。
2. 设备硬件检查端点状态：
   • 如果端点就绪（缓冲区可用）：接收数据（OUT）或发送数据（IN），返回ACK。
   • 如果端点忙（缓冲区满/空）：返回NAK，事务不完成。
3. 主机收到NAK后，在当前微帧内立即重试同一事务（HS下最多3次/微帧）。
4. 若连续NAK超过主机重试限制，主机将暂停该端点调度，等待下一微帧再试。

下图展示NAK重试的时序细节：

在Gadget驱动层面，NAK的产生原因通常包括：

• 中断延迟过高：CPU未能及时处理端点中断，导致硬件缓冲区未及时清空/填充。
• DMA未完成：DMA传输正在进行，硬件FIFO被锁定。
• 协议层背压：上层应用未及时消费数据，导致驱动层缓冲区满。

2.5 批量传输的协议约束总结

下表汇总了批量传输协议中直接影响Gadget驱动性能的关键约束：