8.3 USB控制总线

8.3 USB控制总线

一、USB 端点 Endpoint

前面说过，USB 通信不是直接对“设备整体”传数据，而是对设备内部的 端点 传数据。

可以这样理解：

USB 设备 = 一个外设 端点 Endpoint = 这个外设内部的通信入口/出口 管道 Pipe = 主机软件和端点之间建立的逻辑通道

比如一个 U 盘可能有控制端点、数据输入端点、数据输出端点。主机不是模糊地“访问 U 盘”，而是通过某个端点和它通信。

1. 端点的主要属性

教材列了端点的几个属性，可以记成：

端点号 总线频率/延时要求 带宽要求 差错控制要求 最大分组长度 传输类型 数据方向

其中最重要的是这几个：

注意 USB 里的方向是站在 主机角度说的：

IN：设备 → 主机 OUT：主机 → 设备

所以“IN 端点”不是输入到设备，而是输入到主机。

2. 端点 0 的特殊性

端点 0 是最特殊的。所有 USB 设备都必须有：端点 0

它是默认端点，用于：

设备上电后的初始化 读取设备描述符 分配地址 设置配置 控制传输

所以端点 0 又可以叫：缺省端点 / 默认控制端点

设备刚插上 USB 的时候，还没有正式地址，也没有完成配置，这时主机只能通过端点 0 和设备通信。

3. 端点数量

教材说，低速设备端点数较少，而全速设备附加端点数量最多可以有：

16 个输入端点 + 16 个输出端点

注意这不是说每个设备都一定有这么多，而是协议上最多支持这么多。

可以记成：端点号 4 位，所以端点号范围 0~15。 每个端点还分 IN/OUT 方向。

二、USB 管道 Pipe

教材接着讲“管道”。管道不是物理线，而是一个逻辑概念。

USB 管道 = 主机软件和 USB 设备端点之间的数据通路

它连接的是：主机上的软件缓冲区 ↔ USB 设备上的某个端点

主机软件要和设备通信，必须通过管道。

1. 管道不解释数据内容

教材中特别说，USB 并不翻译管道中的数据内容。

意思是：

USB 只负责把数据包送过去； 数据包里面是什么含义，由设备驱动和应用程序解释。

比如 USB 键盘发送的按键信息，USB 协议只负责传输，至于哪个字节代表哪个按键，是 HID 协议和驱动来解释。（有点像计网里传输层的TCP协议哈）

2. 缺省管道

设备刚上电时，端点 0 自动拥有一个管道：缺省管道

这个缺省管道用于设备识别和配置。

主机通过缺省管道完成：

读取设备描述符 获取设备能力 分配设备地址 选择配置

配置完成后，设备的其他端点才可以被正式使用。

三、USB 的四种传输类型

USB 定义了四种传输类型，这是考试重点。

控制传输 同步传输 中断传输 批量传输

1. 控制传输 Control Transfer

控制传输主要用于：

命令 / 状态 / 配置操作

典型用途：

设备枚举 读取描述符 设置地址 设置配置 发送控制命令

特点：突发性，非周期性，可靠性要求高

端点 0 默认使用控制传输。

例如设备刚插入时，主机通过端点 0 发控制请求：

你是什么设备？ 你的厂商 ID 是多少？ 你需要多少电流？ 你有哪些配置？

2. 同步传输 Isochronous Transfer

同步传输主要用于时间相关的数据。

典型用途：

音频 视频 实时采样数据

特点：

周期性 连续性 强调时间 通常不重传

它适合需要稳定速率的数据流，比如 USB 摄像头、USB 音频。

同步传输的重点不是“每个字节都必须可靠”，而是：数据必须按时到达。

如果一个音频数据包错了，与其等待重传导致声音卡顿，不如丢掉这一小段继续播放。

3. 中断传输 Interrupt Transfer

中断传输主要用于设备向主机报告服务请求。

典型用途：

键盘 鼠标 游戏手柄 状态变化通知

它名字叫“中断”，但不是 CPU 那种真正的硬件中断。

USB 是主机控制总线，设备不能直接打断主机。所谓中断传输，本质是主机周期性轮询设备：

你有没有新数据？ 你有没有新数据？ 你有没有新数据？

如果设备有数据，就返回给主机。

特点：

数据量小 低频率 延迟固定 适合事件型数据

例如鼠标移动、键盘按键，不需要很大带宽，但需要比较快地被主机发现。

4. 批量传输 Bulk Transfer

批量传输主要用于大数据量传输。

典型用途：

U 盘 移动硬盘 打印机 扫描仪

特点：

数据量大 非周期 突发性强 利用剩余带宽 可靠性高

批量传输不保证固定延时，但保证数据正确。

也就是说：有空就传，传错就重传。

所以它适合文件传输，不适合实时音视频。

四种传输类型对比

可以这样记：

控制：管设备 同步：保时间 中断：报事件 批量：搬大块

四、USB 总线枚举

总线枚举是 USB 的核心过程。

所谓枚举，就是主机发现一个新设备，并完成识别、分配地址和配置的过程。

1. 为什么需要枚举？

USB 支持热插拔。设备可能随时插入，也可能随时拔出。

所以主机必须动态完成：

发现设备 识别设备 给设备分配地址 读取设备信息 加载驱动 设置配置 管理端点

这整个过程叫：USB 枚举

2. 插入 USB 设备后的过程

教材给出的步骤可以整理成这样：

① 设备插入某个 Hub 端口。 ② Hub 通过状态变化管道通知主机。 ③ 主机询问 Hub，确认哪个端口发生变化。 ④ 主机向该端口发送复位和使能信号。 ⑤ Hub 保持复位信号约 10 ms。 ⑥ 复位释放后，设备进入默认状态。 ⑦ 设备可从总线获得 100 mA 电流。 ⑧ 设备用默认地址 0 响应主机。 ⑨ 主机通过端点 0 读取设备描述符。 ⑩ 主机给设备分配唯一 USB 地址。 ⑪ 主机继续读取配置描述符、接口描述符、端点描述符。 ⑫ 主机选择一个配置，使设备进入配置完成状态。

简单说就是：

插入 → 复位 → 默认地址通信 → 分配新地址 → 读取描述符 → 设置配置 → 正常工作

3. 设备拔出时

设备拔出时，Hub 也会通知主机。

主机会：

禁用该端口 释放设备占用的地址和资源 更新本地拓扑结构 通知驱动设备已移除

五、USB 传输与数据包格式

USB 通信中，数据必须组织成包。

教材说，所有数据包前面都有同步字节，随后是 PID。

同步字段 → PID → 其他字段

PID 是：Packet Identifier数据包识别字段（有点像操作系统进程里面的syscall的处理方法编号，但是也是差不多的识别作用）

用来说明这个包是什么类型。

1. PID 类型

常见 PID，可以按类别记。标记包 Token

其中：

OUT：主机 → 设备 IN：设备 → 主机 SETUP：控制请求开始 SOF：Start of Frame，帧开始

握手包 Handshake

ACK 表示：我收到了，而且没错。

NAK 表示：我现在没准备好，或者暂时没有数据。

STALL 表示：这个请求我不支持，或者端点被禁止。

这…这…这…都是我们计网学过的东西啊，第三章！！！我死去的记忆又回来了

数据包 Data

DATA0 和 DATA1 交替使用，是为了检测重复包或丢包。

例如主机发了 DATA0，设备收到后回 ACK。如果 ACK 丢了，主机可能重发 DATA0。设备看到同步位没变，就知道这是重复包，不会重复处理。

特殊包 Special

2. USB 数据包格式

教材图 7.8 画了几种包格式。

标记包 Token Packet

一般包括：

PID ，USB ，地址端点号 ， CRC5

它的作用是说明：

这次通信找哪个设备？ 找这个设备的哪个端点？ 这次是 IN、OUT 还是 SETUP？

USB 地址是 7 位，所以最多：2^7 = 128 个地址

但 0 是默认地址，所以正常最多连接：127 个设备

端点号是 4 位，所以端点号范围：0 ~ 15

数据包 Data Packet

教材中数据字段最大可到 1023 字节，这对应的是当时 USB 规范下的包大小描述。

CRC16 用来做数据校验。

握手包 Handshake Packet

握手包比较简单：PID

比如 ACK、NAK、STALL，本身不需要携带大量数据。

帧起始包 SOF Packet

USB 主机会周期性发送 SOF，用来标识帧开始。

3. CRC5 和 CRC16

教材说 USB 使用两种 CRC：CRC5，CRC16

CRC5 用于：标记包、帧起始包等短字段校验

CRC16 用于：数据包的数据字段校验

可以这样记：

短控制信息用 CRC5； 真正的数据内容用 CRC16。

4. ACK / NAK 和停等流控

教材最后讲了 ACK 和 NAK 的作用。

USB 设备收到主机发来的数据包后：

正确收到 → 回 ACK 不能接收 / 没数据 → 回 NAK 端点错误或禁止 → 回 STALL

如果主机收到 NAK，就会等待一段时间后重新尝试。

这种方式叫：

停等式数据流控制 Stop and Wait Flow Control

它的核心是：（计网第三章还是第四章说过的GBN回退N步，还有SR选择重传机制，一定要看喔）

发送下一个数据包前，必须等上一个数据包的响应。

这样可以提高可靠性，但效率不如连续发送高。

六、USB 的发展现状

教材这里是按当时背景写的，说 USB 2.0 在 2000 年发布，最高速率达到：480 Mb/s

USB 2.0 基本可以满足当时绝大多数外设需求，比如：

数码相机 外置硬盘 扫描仪 MODEM 游戏手柄 键盘鼠标

并预测 USB 会逐渐取代传统串口和并口。

从学习角度，要掌握的是：USB 的出现，是为了统一外设接口，支持热插拔、即插即用和高速串行连接。

七、IEEE 1394 总线

IEEE 1394 也是一种高速外总线。

它有几个常见名字：

IEEE 1394 FireWire i.LINK

其中：FireWire 常用于 Apple 领域

i.LINK 常用于消费电子领域

1. IEEE 1394 的用途

IEEE 1394 最初由 Apple 开发，目的是替代并行 SCSI，后来被广泛用于：

视频设备 音频设备 数字摄像机 高速外部存储 多媒体数据传输

教材说它可以达到：

100 Mb/s 200 Mb/s 400 Mb/s

后来的 IEEE 1394b 可进一步提高到：

800 Mb/s 1.6 Gb/s 3.2 Gb/s

2. IEEE 1394 的 OHCI 结构

教材讲了 IEEE 1394 的开放主控制器接口：OHCI

它分成四个部分：

物理层 链路层 事务层 串行总线管理

物理层

作用：

提供设备和线缆之间的电气、机械连接； 完成数据发送和接收； 保证设备能够访问总线。

可以理解成“线怎么接、电信号怎么传”。

链路层

作用：负责数据包确认 定址 数据校验 数据分帧

它比物理层更接近“数据包”的处理。

事务层

作用：处理异步数据包，提供 Read、Write、Lock 命令

其中：

Read：向对方读取数据 Write：向对方写入数据 Lock：用于读写组合或同步操作

串行总线管理

作用：

管理总线控制 设备供电 优化定时 分配同步通道 ID 错误提示

可以理解成 IEEE 1394 总线的管理层。

3. IEEE 1394 的同步和异步传输

IEEE 1394 支持两种数据传输：

同步传输 异步传输

异步传输

异步传输时，发送方和接收方先交换地址，然后传数据。

收到数据后，接收方要返回确认信息。

如果没收到，系统会进行错误恢复。

特点：可靠，适合普通数据传输

同步传输

同步传输时，发送方先获得一个固定带宽的数据通道，然后把通道 ID 附加到数据中。

接收方只接收对应 ID 的数据流。

特点：

实时性更好 优先级更高 适合音频视频

所以 IEEE 1394 曾经很适合 DV 摄像机、音视频设备。

4. IEEE 1394 的主要特点

可以总结为：

高速 支持同步和异步传输 支持点对点传输 拓扑灵活 支持热插拔 支持即插即用 支持公平仲裁 供电方式灵活

教材说 IEEE 1394 有 6 条线：2 条供电线，4 条数据线