USB的四大传输方式介绍

来源：公众号【鱼鹰谈单片机】
作者：鱼鹰Osprey
ID ：emOsprey

我们知道，传输事务解决了主机、设备之间交互一次数据的问题，但是有些端点是需要进行多次双向传输或者多次单向传输的，同时因为设备的功能不同，所需要的带宽和传输特性也不同，那么就需要一个更上层的机制解决以上问题，四大传输应运而生。

控制传输（Control Transfers）、中断传输（Interrupt Transfers）、批量传输（Bulk Transfers）、同步传输（Isochronous Transfers）称之为四大传输。
接下来我们看看这些传输各自的特点，同时了解一下这些传输方式在生活中的应用。

控制传输

一种可靠的双向传输，所有USB设备必须支持的一种传输方式，该传输一般发生在端点0 中，用于USB的枚举、配置（也可能进行其他数据传输）等阶段。而我们接下来需要详细介绍的传输方式就是它。

当设备插入主机后，主机通过端点 0 （还记得前面说它是双向端点吗）进行控制传输，通过一系列的数据交互，主机可以了解设备有多少个接口，有多少可用的端点等各种设备信息。

你的设备能否被主机（电脑）正确识别，完全取决于控制传输能否正常进行，这是 USB 学习中最先遇到的拦路虎，也是很多人望而却步的一个地方，但是希望大家通过鱼鹰的介绍能够真正掌握它。

在带宽（所谓带宽，可以认为主机对USB总线进行分时数据传输，比如1秒中使用100毫秒用于控制传输）使用上，高速端点的控制传输不能占用 20 %的微帧（125 us 一个微帧），全速和低速不能超过 10 %（1 ms 一帧

在控制传输中，为了实现完整的一次控制传输，一般由三个阶段组成：

建立阶段、数据阶段（该阶段可能没有，由建立阶段的数据决定）、状态阶段，每一个阶段都由传输事务组成，即存在三个数据包的传输。

我们可以具体看看上面最简单的无数据阶段控制传输（其他传输类似）：

这里需要特别注意的是，建立阶段一定是DATA0 数据包，之后如果有数据阶段，将进行翻转，变成 DATA1，并且在每次正确数据传输后都会进行一次翻转，这个机制用于保证数据被正确接收，而不是发送方发送的重复数据包（如果对方没有正确接收数据，DATAx不会翻转

在状态阶段，一律使用 DATA 1进行回复，状态阶段的数据包中的数据为空，也就是说不携带任何数据。

同时，根据建立阶段中的数据要求不同，比如要求发送数据或者接收数据，将使用相反的 IN 或 OUT 令牌完成状态阶段，比如建立阶段主机要求发送 15 字节到设备中，那么数据阶段将先使用 OUT 令牌发送数据，之后在状态阶段主机将使用相反的 IN 令牌获得空数据包。

因为传输时，可能需要多次传输事务才能完成数据阶段，那么如何判断对方数据传输已经完成，从而让主机不再发送IN或OUT令牌包传输数据呢？

有两种可能：

如果传输的数据大小刚好是端点支持数据大小的整数倍，比如一个端点最大数据包长度为64字节，如果传输128字节，就需要在最后发送一个空数据包。

而如果要传输127字节，那么因为最后一个包不是满负载（只有63字节），所以也将认为数据传输完成。

也就是说，最后一个数据包一定不是满载的，前面的数据包一定是满载的。这代表了数据阶段的结束。

当完成了以上几个阶段，一次控制传输才算完成。

正因为控制传输的情况比较复杂，所以学习起来也比较麻烦。

中断传输

中断传输时一种可靠的单向传输方式，采用定时轮询的方式收发数据，每次主机对中断端点查询时，如果设备有数据传输，则返回数据，否则NAK，表示未准备好。

同理，如果是主机发送数据，如果设备没有准备好接收，也将使用 NAK 回复。

如果需要双向传输，必须使用 IN 和 OUT 两个端点。

中断传输的延迟有保证，也就是说，可以在有限的延迟中完成传输，并且支持错误重传（在下一个周期进行重传），所以它是可靠的。因为可能产生错误重传，所以中断传输也会采用 PID 翻转的机制保证收发端数据的同步。

中断传输一般用于对延迟要求比较严格，同时数据量较小，比如我们常见的键盘、鼠标就是采用中断传输方式。

当你的鼠标、键盘插入电脑后，电脑在枚举配置成功后，就会按照描述符中的查询时间定时发送 IN 令牌包，获取所需的数据，如果设备没有数据发送，则回复 NAK。

对于全速端点，中断传输的间隔在 1 ms 到 255 ms 之间，对于低速端点，间隔时间限制在10ms到255ms之间, 对于高速端点，间隔为2^bInterval-1×125us, bInterval的值在1到16之间。

CMSIS-DAP 调试器使用的就是中断传输，全速模式下1 ms 64 字节一包数据，所以最大传输速率是64 K，速率不是很高，如果使用高速，可以达到125 us 1024 字节，还有一种高速高带宽的中断端点，125 us 微帧内可以进行三次中断传输，即125 us 内可传输 3072 字节。

（注意上图未画出握手包）

批量传输

批量传输是一种可靠的单向传输，但是和中断传输不同，传输延迟没有保证，它会尽可能的利用可以利用的带宽完成传输（说白了，就是个捡漏的），适合数据量比较大的传输。
当然如果说总线上只有批量传输，那么延迟也是能保证的，毕竟没人和它竞争带宽。

现实中，U盘就是采用批量传输，因为它对时间延迟不是那么严格，只要可靠的完成大量数据的传输即可。

低速设备不支持批量传输，高速设备批量最大包长度为512字节，全速批量可以为 8、16、32、64，选择余地比较大。

因为会错误重传，所以需要 PID 的翻转机制，即按照 DATA0 – DATA1 – DATA0 – DATA1……的方式翻转，允许 3 次以下的传输错误，超过三次，主机将认为端点功能错误 （STALL），放弃该端点的传输，需要主机使用控制传输恢复该端点的功能。

注意上面的 STALL 回复，这个代表端点错误，一旦回复该 STALL，如果没有主机干预，设备将一直使用 STALL 回复，说明该端点不支持该功能或者产生了错误。

同步传输

这种传输是四大传输中唯一不可靠的传输方式，但是好处就是可以保证带宽，并且没有延迟，而且因为是不可靠的传输，所以没有握手包，也不支持 PID 翻转，主机在安排这些传输事务时，同步传输拥有最高的优先级。

高速同步端点最大包长度为 1024，全速为 1023。

高速端点在一个微帧内仅允许一次同步传输事务，而高速高带宽的同步端点可以在一个微帧内传输三次，即3072 Byte / 125us。

在现实中，这种传输用于摄像头、USB音响等，因为它们对实时性要求比较高，但是可以容忍错误（摄像头偶尔出现了一帧有错误的画面，没多大关系，因为下一帧画面马上就会传过来

在前面的介绍中，一直都有帧、微帧的身影，那么它是什么？

我们知道，令牌包中有一种特殊的包，称之为 SOF （start of frame）包，格式如下：

CRC校验为 5 bit，和 11 bit 的帧号刚好凑成 16 bit 两个字节。

高速设备中每过 125 us 发出一个微帧，全速每过 1 ms 发出一帧，之后才会开始数据传输。

主机在每个帧（微帧）的开始传输一个SOF，每次帧号加 1，当达到 0x7FF 时，将清零重新开始计数。

看图理解 SOF 和其他传输的关系：

CRC校验为 5 bit，和 11 bit 的帧号刚好凑成 16 bit 两个字节。

看上图可以了解到，每过一定时间（1 ms或者 125 us），主机发出 SOF 包，接下来进行传输事务（四大传输中的一种），每一个传输事务中又包含了三个数据包（我们可以认为SOF就是 USB 总线中的时钟信号

通过上图，我们就可以理解帧、传输、传输事务、包之间的关系了。

再用另一个图看看四大传输之间的关系：

可以看到，假如总线中有四类数据需要传输，那么主机将在每帧开始发送SOF包，然后优先安排同步传输，之后安排中断传输，其次是控制传输，最后才是批量传输（大容量传输），所以说批量传输是专业捡漏的。

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