1. 硬件拓扑结构2. 协议层2.1 包格式2.2 SYNC 域2.3 PID 域2.4 包类型2.4.1 令牌包(Token)2.4.2 数据包2.4.3 握手包2.5 传输细节2.5.1 传输(Transfer)和事务(Transaction)2.5.2 过程(stage)和阶段(phase)2.5.3 批量传输2.5.4 中断传输2.5.5 实时传输2.5.6 控制传输3. 使用工具体验数据格式
参考资料：
- 《圈圈教你玩USB》
- 官网：https://www.usb.org/documents
- 《usb_20.pdf》的《Chapter 8 Protocol Layer》
- USB的NRZI信号格式：https://zhuanlan.zhihu.com/p/460018993
- USB2.0包Packet的组成：https://www.usbzh.com/article/detail-459.html
1. 硬件拓扑结构
- compound device ：多个设备组合起来，通过HUB跟Host相连
- composite device ：一个物理设备有多个逻辑设备(multiple interfaces)
在软件开发过程中，我们可以忽略Hub的存在，硬件拓扑图简化如下：
一个物理设备里面可能有多个逻辑设备，Hos可以外接多个逻辑设备，硬件拓扑图如下：
2. 协议层
要理解协议层、理解数据如何传输，带着这几个问题去看文档、看视频：
- 如何寻址设备？
- 如何表示数据方向(读、还是写)
- 如何确认结果？
提前罗列出来：
- USB系统是一个Host对应多个设备，要传输数据首先要通知设备：
- 发出IN令牌包：表示想读数据，里面含有设备地址
- 发出OUT令牌包：表示想写数据，里面含有设备地址
- 数据阶段：
- Host想读数据：前面发出IN令牌包后，现在读取数据包
- Host想发出数据：前面发出OUT令牌包后，现在发出数据包
- 结果如何？有握手包
- Host想读数据，设备可能未就绪，就会回应NAK包
- Host想写数据，它发出数据后，设备正确接收了，就回复ACK包
先传输最低位(LSB)。在后续文档中，描述数据时按照传输顺序从左到右列出来。
2.1 包格式
USB总线上传输的数据以包为单位。USB包里含有哪些内容(“域”)？
- SOP：用来表示包的起始
- SYNC：8位（低速/全速）或32位（高速），用于同步接收方和发送方的时钟
- PID：表示包的类型
- 地址：在USB硬件体系中，一个Host对应多个Logical Device，那么Host发出的包，如何确定发给谁？
- 发给所有设备：包里不含有设备地址
- 发给某个设备：包里含有设备地址、端点号
- 帧号、数据等跟PID相关的内容
- CRC校验码：循环冗余校验码，用于检测地址和端点字段的传输错误
发起一次完整的传输，可能涉及多个包。那么，第1个包里含有设备地址、端点号，后续的包就没必要包含设备地址、端点号。
2.2 SYNC 域
Host发出SOP信号后，就会发出SYNC信号：它是一系列的、最大传输频率的脉冲，接收方使用它来同步数据。对于低速/全速设备，SYNC信号是8位数据(从做到右是00000001)；对于高速设备，SYNC信号是32位数据(从左到右是00000000000000000000000000000001)。使用NRZI编码时，前面每个”0”都对应一个跳变。
在很多文档里，把SOP和SYNC统一称为”SYNC”，它的意思是”SYNC”中含有”SOP”。
2.3 PID 域
注意：所有的USB文档提到的”输入”、“输出”，都是基于Host的角度，“输出”表示从Host输出到设备，“输入”表示Host从设备得到数据。
PID域是USB包格式中的一个关键组成部分，它紧跟在同步域（Sync Field）之后。PID域的结构如下：
- PID域长度为8位（8 bits）
- 高4位表示包类型
- 低4位是高4位的按位取反，用于错误检测
根据包数据里的PID的bit1, bit0可以分为4个大类：
- 令牌包(Token)：01B
- 数据包(Data)：11B
- 握手包(Handshake)：10B
- 特殊包(Special)：00B
PID有4位，使用bit1,bit0确定分类，使用bit3,bit2进一步细分。如下表所示：
PID类型 | 二进制值 | 十六进制值 | 描述 |
Token包 | ㅤ | ㅤ | ㅤ |
OUT | 0001 | 0x1 | 主机向设备发送数据 |
IN | 1001 | 0x9 | 主机从设备接收数据 |
SOF | 0101 | 0x5 | 帧起始标记 |
SETUP | 1101 | 0xD | 控制传输设置阶段 |
Data包 | ㅤ | ㅤ | ㅤ |
DATA0 | 0011 | 0x3 | 数据包0 |
DATA1 | 1011 | 0xB | 数据包1 |
DATA2 | 0111 | 0x7 | 数据包2（高速传输） |
MDATA | 1111 | 0xF | 数据包（分割事务） |
Handshake包 | ㅤ | ㅤ | ㅤ |
ACK | 0010 | 0x2 | 确认接收成功 |
NAK | 1010 | 0xA | 设备暂时无法接收/发送数据 |
STALL | 1110 | 0xE | 设备请求被拒绝（挂起） |
NYET | 0110 | 0x6 | 尚未准备好（高速传输） |
Special包 | ㅤ | ㅤ | ㅤ |
PRE | 1100 | 0xC | 前导包（全速设备） |
ERR | 1100 | 0xC | 错误（高速传输） |
SPLIT | 1000 | 0x8 | 分裂事务 |
PING | 0100 | 0x4 | PING 测试 |
EXT | 1100 | 0xC | 扩展包 |
PID域在USB通信中扮演角色：
- 包类型识别：PID域允许接收方快速识别接收到的包类型，从而知道如何解析后续的数据。
- 错误检测：通过低4位与高4位的取反关系，可以检测PID传输错误。
- 通信流程控制：不同类型的PID用于控制USB通信的不同阶段，如设置阶段、数据传输阶段和握手阶段。
- 流控制：某些PID类型（如NAK、STALL）用于实现USB通信中的流控制机制。
2.4 包类型
2.4.1 令牌包(Token)
令牌类的PID，起”通知作用”，通知谁？SOF令牌包被用来通知所有设备，OUT/IN/SETUP令牌包被用来通知某个设备。
令牌包由主机发出，用于指定后续数据包的传输方向（IN或OUT）以及目标设备地址和端点号。
对于OUT、IN、SETUP令牌包，它们都是要通知到具体的设备，格式如下：
令牌包包含以下字段：
- PID域（Packet Identifier）：8位，其中高4位标识包类型，低4位是高4位的取反
- 令牌包的PID类型包括：OUT、IN、SOF和SETUP
- 地址域（Address Field）：7位，指定目标设备的地址
- 地址0保留用于未分配地址的设备
- 最多支持127个设备
- 端点域（Endpoint Field）：4位，指定目标端点号
- 最多支持16个端点（上面4个端点以外数值为其他可用的批量端点）
端点类型 | 描述 | 传输方向 | 传输模式 | 二进制表示 |
控制端点 | 用于控制传输，主要用于设备配置和命令。每个设备至少有一个控制端点。 | 双向（主机 ↔ 设备） | 控制传输 | 0000 |
批量端点 | 用于批量数据传输，适合大数据量的传输，支持流量控制。 | 单向（主机 → 设备 或 设备 → 主机） | 批量传输 | 0001 |
中断端点 | 用于短时间的数据传输，适合对延迟敏感的应用，如鼠标和键盘。 | 单向（主机 → 设备 或 设备 → 主机） | 中断传输 | 0010 |
同步端点 | 用于实时数据传输，适合音频和视频流等应用。 | 单向（主机 → 设备 或 设备 → 主机） | 同步传输 | 0011 |
对于SOF包，英文名为”Start-of-Frame marker and frame number”。对于USB全速设备，Host每1ms产生一个帧；对于高速设备，每125us产生一个微帧，1帧里有8个微帧。Host会对当前帧号进行累加计数，在每帧或每微帧开始时，通过SOF令牌包发送帧号。对于高速设备，每1毫秒里有8个微帧，这8个微帧的帧号是一样的，每125us发送一个SOF令牌包。
SOF令牌包格式如下：
2.4.2 数据包
Host使用OUT、IN、SETUP来通知设备：我要传输数据了。数据通过”数据包”进行传输。
数据包与令牌包的关系
- OUT事务：主机发送OUT令牌包，然后发送数据包，设备回复握手包
- IN事务：主机发送IN令牌包，设备发送数据包，主机回复握手包
- SETUP事务：主机发送SETUP令牌包，然后发送数据包（控制请求），设备回复握手包
数据包格式如下：
- PID域（Packet Identifier）：有4种PID类型包括：DATA0、DATA1、DATA2和MDATA，其中DATA2、MDATA在高速设备中使用。
- 数据域（Data Field）：0-1023字节的数据负载[3]
- 控制传输：最大64字节（全速）
- 批量传输：最大512字节（高速）
- 中断传输：最大1024字节（高速）
- 同步传输：最大1024字节（高速）
为什么要引入DATA0、DATA1这些不同类型的数据包？为了纠错。
USB使用DATA0和DATA1交替传输的机制来确保数据包的顺序和完整性：
- 发送方在每次成功传输后切换数据包类型（DATA0 → DATA1 → DATA0...）
- 接收方通过检查接收到的数据包类型，可以检测到丢包或重复包
- 如果检测到错误，接收方可以请求重传
比如：
- Host发送DATA0给设备，设备返回ACK表示成功接收，设备期待下一个数据是DATA1
- 但是Host没有接收到ACK，Host认为数据没有发送成功，Host继续使用DATA0发送上一次的数据
- 设备再次接收到DATA0数据包，它就知道：哦，这是重传的数据包
2.4.3 握手包
握手包有4类：
ACK、NAK、STALL、NYETACK：数据接收方用来回复发送方，表示正确接收到了数据并且有足够的空间保存数据。
NAK：Host发送数据给设备时，设备可以回应NAK表示”我还没准备好，没办法接收数据”；Host想读取设备的数据时，设备可以回复NAK表示”我没有数据给你”。
STALL：表示发生了错误，比如设备无法执行这个请求(不支持该断点等待)、断点已经挂起。设备返回STALL后，需要主机进行干预才能接触STALL状态。
NYET：仅适用于高速设备。Host可以发出PING包用来确认设备有数据，设备可以回应NYET表示”还没呢”。Hub也可以回应NYET表示低速/全速传输还没完结。
握手包在USB通信中的作用
- 确认数据接收：握手包用于确认数据包是否成功接收，确保数据传输的可靠性。
- 流量控制：通过NAK和STALL握手包，USB协议实现了流量控制机制，防止数据丢失和设备过载。
- 错误处理：STALL握手包可以用于指示错误状态，帮助主机进行适当的错误处理和恢复操作。
握手包的传输流程
- 主机发送数据包到设备。
- 设备根据接收到的数据包状态，选择发送ACK、NAK或STALL握手包。
- 主机根据接收到的握手包类型决定下一步操作：
- 如果收到ACK，继续发送下一个数据包。
- 如果收到NAK，稍后重试发送数据包。
- 如果收到STALL，停止当前操作并处理错误。
2.5 传输细节
2.5.1 传输(Transfer)和事务(Transaction)
USB传输的基本单位是包(Packet)，包的类型由PID表示。一个单纯的包，是无法传输完整的数据。
为什么？比如想输出数据，可以发出OUT令牌包，OUT令牌包可以指定目的地。但是数据如何传输呢？还需要发出DATA0或DATA1数据包。设备收到数据后，还要回复一个ACK握手包。
所以，完整的数据传输，需要涉及多个包：令牌包、数据包、握手包。这个完整的数据传输过程，被称为事务(Transaction)。
有些事务需要握手包，有些事务不需要握手包，有些事务可以传输很大的数据，有些事务只能传输小量数据。
有四类事务：
- 批量事务：用来传输大量的数据，数据的正确性有保证，时效没有保证。
- 中断事务：用来传输周期性的、小量的数据，数据的正确性和时效都有保证。
- 实时事务：用来传输实时数据，数据的正确性没有保证，时效有保证。
- 建立事务：跟批量事务类似，只不过令牌包是SETUP令牌包。
有四类传输(Transfer)：
- 批量传输：就是使用批量事务实现数据传输，比如U盘。
- 中断传输：就是使用中断事务实现数据传输，比如鼠标。
- 实时传输：就是使用实时事务实现数据传输，比如摄像头。
- 控制传输：由建立事务、批量事务组成，所有的USB设备都必须支持控制传输，用于”识别/枚举”
暂时记住这个关系：
- BIT组成域(Field)
- 域组成包(Packet)
- 包组成事务(Transaction)
- 事务组成传输(Transfer)
2.5.2 过程(stage)和阶段(phase)
事务由多个包组成，比如Host要发送数据给设备，这就会涉及很多个包：
- Host发出OUT令牌包，表示要发数据给哪个设备
- Host发出DATA0数据包
- 设备收到数据后，回应ACK包
这个完整的事务涉及3个包(Packet)，分为3个阶段(Phase)：
- 令牌阶段(Token phase)：由令牌包实现
- 数据阶段(Data phase)：由数据包实现
- 握手阶段(Handshake phase)：由握手包实现
事务由包组成，这些包分别处于3个阶段(phase)：令牌阶段，数据阶段，握手阶段。
对于批量传输、中断传输、实时传输，它们分别由一个事务组成，不再细分为若干个过程。
但是控制传输由多个事务组成，这些事务分别处于3个过程：建立过程(setup stage)、数据过程(data stage)、状态过程(status stage)。
总结起来就是：
- 控制传输由多个过程(stage)组成，每个过程由一个事务来实现
- 每个事务由多个阶段(phase)组成，每个阶段有一个包来实现
2.5.3 批量传输
批量传输用批量事务来实现（一次货多次重复），用于传输大量的数据，数据的正确性有保证，时效没有保证。
批量事务由3个阶段(
phase)组成：令牌阶段、数据阶段、握手阶段。每个阶段都是一个完整的包，含有SOP、SYNC、PID、EOP。下图中各个矩形框就对应一个完整的包。
《圈圈教你玩USB》中有详细的示例：
2.5.4 中断传输
中断传输用中断事务来实现，用于传输小量的、周期性的数据，数据的正确性和时效都有保证。
中断事务由3个阶段(phase)组成：令牌阶段、数据阶段、握手阶段。每个阶段都是一个完整的包，含有
SOP、SYNC、PID、EOP。下图中各个矩形框就对应一个完整的包。
中断事务跟批量事务非常类似，Host使用它来周期性地读数据、写数据。
以鼠标为例，我们需要及时获得鼠标的数据，不及时的话你会感觉鼠标很迟钝。但是USB协议中并没有中断功能，它使用”周期性的读、写”来实现及时性。具体过程如下：
Host每隔n毫秒发出一个IN令牌包
- 鼠标有数据的话，发出
DATA0或DATA1数据包给Host；鼠标没有数据的话，发出NAK给Host。
中断事务的优先级比批量事务更高，它要求实时性，而批量事务不要求实时性。
2.5.5 实时传输
实时传输用实时事务来实现，用于传输实时数据，对数据的正确性没有要求。
实时事务由2个阶段(phase)组成：令牌阶段、数据阶段。每个阶段都是一个完整的包，含有SOP、SYNC、PID、EOP。
实时事务不需要握手阶段，一个示例的场景是：为了传输摄像头的实时数据，偶尔的数据错误是可以忍受的，大不了出现短暂的花屏。如果为了解决花屏而重传数据，那就会导致后续画面被推迟，实时性无法得到保证。
下图中各个矩形框就对应一个完整的包。
实时事务跟中断事务非常类似，Host也会周期性的发起实时事务，主要区别在于：
- 实时事务不要求准确性，没有握手阶段
- 实时事务传输的数据量比较大，中断事务传输的数据量比较小
2.5.6 控制传输
在使用批量传输时，使用IN令牌包或OUT令牌包表示数据传输方向。
控制传输的令牌包永远是SETUP，怎么分辨是读数据，还是写数据？发出SETUP令牌包后，还要发出DATA0数据包，根据数据的内容来确定后续是读数据，还是写数据。这个过程称为”建立事务”(SETUP Transaction)
但是控制传输由多个事务组成，这些事务分别处于3个过程：建立过程(setup stage)、数据过程(data stage)、状态过程(status stage)。
- 建立过程，使用SETUP事务：Host发出SETUP令牌包、DATA0数据包、得到ACK握手包
- 数据过程，使用一个/多个批量事务：
- 对于输出：Host发出OUT令牌包，发出DATA0、DATA1数据包、得到ACK握手包
- 对于输入：Host发出IN令牌包，读到DATA0、DATA1数据包、发出ACK握手包
- 状态过程，使用一个批量事务：
- 对于输出：Host发出IN令牌包（相对于数据过程，方向反转一下），读到DATA1数据包，发出ACK握手包
- 对于输入：Host发出OUT令牌包，发出DATA1数据包，等待ACK握手包
上图中的每一个方框，都是一个完整的事务，含有：
Token Packet、Data Packet、Handshake Packet。3. 使用工具体验数据格式
LeCroy(力科)成立于1964年，是一家专业生产示波器厂家。旗下生产有数字示波器、SDA系列数字示波器、混合信号示波器、模块化仪器、任意波形发生器。
官网是：https://teledynelecroy.com/，可以在搜索引擎里搜”usbprotocolsuite”。
安装”usbprotocolsuite”后，可以在文档目录里找打很多示程序(后缀名为usb)：
使用”usbprotocolsuite”打开这些文件，即可体验USB数据传输：
软件简介
Teledyne LeCroy的usbprotocolsuite是一款业界领先的USB协议分析软件，专为工程师设计，以支持USB接口设备的开发、测试和故障排除。版本v5.10带来了更加强大和稳定的性能，确保开发者能够高效地理解和优化他们的USB通信。
特点亮点
- 全面的USB协议支持：覆盖USB 2.0、3.0及其以上版本，满足不同层次的开发需求。
- 深度数据解析：提供细致入微的数据包分析，包括错误检测和协议层细节。
- 用户友好的界面：直观的操作界面，方便快速上手，提高工作效率。
- 高效的触发与过滤：高级触发机制和定制化的数据过滤，便于捕捉关键事件或特定流量。
- 日志与报告生成：帮助生成详细的分析报告，便于项目文档化和交流。
