📚 课程目录第2章 USB协议基础

2. USB协议基础：包结构、传输类型与帧/微帧

USB（Universal Serial Bus）协议采用主机-从机（Host-Device）架构，所有通信均由主机发起。理解USB协议的基础——包结构、四种传输类型以及帧/微帧机制——是开发USB Host驱动的先决条件。本章将深入剖析这些核心概念，为后续的热插拔检测与中断传输处理奠定坚实的理论基础。

2.1 USB包结构：通信的最小单元

USB总线上的所有数据交换都以“包（Packet）”为单位进行。一个USB包由多个字段按顺序组成，其基本格式如下：

  核心要点：USB包以同步字段（SYNC）开始，以包结束符（EOP）结束。包标识符（PID）决定了包的类型和用途。

字段	长度（位）	说明
SYNC	8	同步序列，用于接收器与发送器时钟同步。
PID	8	包标识符，由4位类型和4位校验组成，定义包类型（如令牌、数据、握手）。
ADDR	7	设备地址，范围0~127，地址0用于默认控制管道。
ENDP	4	端点号，每个设备最多支持16个端点（0~15）。
DATA	0~1024	数据负载，长度取决于传输类型和速度。
CRC	5或16	循环冗余校验，用于检测传输错误。
EOP	—	包结束符，由单端信号（SEO）表示。

根据PID的不同，USB包主要分为以下三类：

令牌包（Token Packet）：由主机发出，用于启动一次传输事务。包括SETUP、IN、OUT和SOF（帧起始）包。
数据包（Data Packet）：携带实际数据，分为DATA0、DATA1、DATA2（高速）和MDATA（高速）包。
握手包（Handshake Packet）：用于确认传输状态，包括ACK（确认）、NAK（忙）、STALL（错误）和NYET（未准备好）。

2.2 四种传输类型

USB协议定义了四种传输类型，分别针对不同的应用场景。每种传输类型在带宽、延迟、错误重试等方面具有不同的特性。

传输类型	典型应用	带宽保证	错误重试	延迟要求
控制传输	设备枚举、配置、命令	10% 保留	硬件自动重试	中等
批量传输	U盘、打印机、扫描仪	无保证	硬件自动重试	低
中断传输	键盘、鼠标、游戏手柄	有保证（轮询间隔）	硬件自动重试	高
同步传输	音频、视频、摄像头	有保证（固定带宽）	无重试	极高

2.2.1 控制传输

控制传输是USB中最复杂的传输类型，用于主机与设备之间的配置、命令和状态交换。它由两个或三个阶段组成：

建立阶段（Setup Stage）：主机发送SETUP令牌包 + DATA0数据包（包含8字节请求描述符）。
数据阶段（Data Stage，可选）：主机或设备发送数据，使用DATA1/DATA0交替。
状态阶段（Status Stage）：用于确认整个控制传输完成，设备返回ACK/NAK/STALL。

驱动开发提示：在Linux内核中，控制传输通过 usb_control_msg() 函数实现。该函数封装了URB（USB Request Block）的构建和提交过程，驱动开发者只需指定请求类型、请求码、数据缓冲区和超时时间。

2.2.2 批量传输

批量传输用于传输大量数据，但不保证带宽和延迟。它利用总线空闲时间进行传输，当总线繁忙时会被延迟。批量传输具有硬件级别的错误重试机制，确保数据完整性。

2.2.3 中断传输

中断传输是本章的重点，用于需要定期轮询的设备（如HID设备）。主机以固定的时间间隔向设备发起IN事务，查询是否有数据需要传输。中断传输具有以下特点：

轮询间隔：由设备端点描述符中的 bInterval 字段指定，单位为帧（全速/低速）或微帧（高速）。
带宽保证：主机控制器会为中断传输预留带宽，确保在轮询间隔内能够完成传输。
错误重试：如果传输失败，主机控制器会自动重试，直到成功或达到重试次数上限。

2.2.4 同步传输

同步传输用于对时间敏感的数据流（如音频、视频），它保证固定的带宽和低延迟，但不提供错误重试。如果传输过程中发生错误，数据将被丢弃。同步传输使用DATA0和DATA1包交替，但不需要握手包确认。

2.3 帧与微帧

USB总线的时间被划分为固定长度的“帧（Frame）”或“微帧（Microframe）”，用于同步和带宽分配。

2.3.1 帧（全速/低速模式）

帧长度：1毫秒（ms）。
帧起始包（SOF）：主机在每个帧开始时发送SOF包，用于同步所有设备。
帧号：SOF包中包含一个11位的帧号（0~2047），用于设备同步和错误检测。
带宽分配：每个帧的总带宽为1ms，主机控制器在帧内分配时间片给不同的传输事务。

2.3.2 微帧（高速模式）

微帧长度：125微秒（μs）。
微帧数量：每个帧包含8个微帧（8 × 125μs = 1ms）。
微帧起始包：每个微帧开始时发送SOF包，帧号每8个微帧递增一次。
优势：微帧机制允许更精细的带宽分配和更低的延迟，特别适合高速中断传输和同步传输。

驱动开发注意事项：在高速模式下，中断传输的轮询间隔以微帧为单位。例如，bInterval = 4 表示每4个微帧（即500μs）轮询一次。驱动开发者在解析端点描述符时，必须根据设备速度正确解释 bInterval 字段。

2.4 传输事务与URB

在USB协议中，一次“传输事务（Transaction）”由令牌包、数据包（可选）和握手包（可选）组成。而Linux内核使用URB（USB Request Block）来抽象一次完整的USB传输请求。

URB是USB驱动开发的核心数据结构，它封装了以下信息：

目标设备：设备地址和端点号。
传输类型：控制、批量、中断或同步。
数据缓冲区：指向数据内存的指针和长度。
回调函数：传输完成或出错时调用的函数。
标志位：如是否允许DMA、是否使用中断等。

  关键概念：URB是异步的。驱动提交URB后立即返回，当传输完成时，内核会调用注册的回调函数。这种机制使得USB驱动能够高效地处理并发传输，而不会阻塞整个系统。

以下是一个典型的中断传输URB提交代码片段：

/* 分配中断传输URB */
struct urb *urb = usb_alloc_urb(0, GFP_KERNEL);
if (!urb) {
    dev_err(&udev->dev, "Failed to allocate URB\n");
    return -ENOMEM;
}

/* 填充URB */
usb_fill_int_urb(urb, udev, 
                 usb_rcvintpipe(udev, endpoint->bEndpointAddress),
                 buffer, buffer_size,
                 complete_callback,   /* 回调函数 */
                 context,             /* 回调上下文 */
                 endpoint->bInterval); /* 轮询间隔 */

/* 提交URB */
retval = usb_submit_urb(urb, GFP_KERNEL);
if (retval) {
    dev_err(&udev->dev, "Failed to submit URB: %d\n", retval);
    usb_free_urb(urb);
    return retval;
}

2.5 本章小结

本章详细介绍了USB协议的基础知识，包括：

包结构：SYNC、PID、ADDR、ENDP、DATA、CRC和EOP字段，以及令牌包、数据包和握手包三种类型。
四种传输类型：控制传输（配置/命令）、批量传输（大块数据）、中断传输（HID设备）和同步传输（音视频），每种类型在带宽、延迟和错误重试方面具有不同特性。
帧与微帧：全速/低速模式使用1ms帧，高速模式使用125μs微帧，微帧机制提供了更精细的带宽调度能力。
URB：Linux内核中用于抽象USB传输请求的核心数据结构，支持异步提交和回调。