EZ-USB开发笔记（九）——USB传输

本文简单介绍USB2.0传输的一些概念，为方便了解EZ-USB的USB中断和端点。由于EZ-USB的串行引擎隐藏了USB收发的诸多细节，因此本文只是对USB的传输的关键概念做介绍，具体的细节需要参见USB2.0协议。

一、USB拓扑结构

USB是一种主从拓扑结构，主机叫Host，从机（设备）叫Device。

一个主机连接一个根集线器（root hub），根集线器可以再扩展出其他的集线器（hub）和主控制器（host controller），主控制器即对应着主机的USB插口。

因此，从设备到主机的数据叫做输入数据，从主机到设备的数据叫做输出数据。

二、包

USB传输数据是由一个一个的包（package）传输的，每个包再细分成一个一个域。包的具体构成及操作（如同步、位填充、校验等）被USB串行引擎隐藏，这里略去不介绍。

每个包中都有一个8bit的域，用来表示正在传输的包的类型，叫做PID （package ID）。

USB2.0协议一共规定了16个包，分为四个大类，如下表所示：

PID类型	PID名字
令牌类（Token）	IN  OUT SOF  SETUP
数据类（Data）	DATA0  DATA1  DATA2  DATAM
握手类（HandShake）	ACK  NAK  STALL  NYET
特殊类（Special）	PRE  ERR  SPLIT  PING

2.1 令牌包

令牌包用来启动一次USB传输事务（有关USB事务的概念见第三章）。

·输入令牌包（IN）：通知设备，本次USB事务是要输入一个数据包。即本次USB事务中的数据包是输入的。

·输出令牌包（OUT）：通知设备，本次USB事务是要输出一个数据包。即本次USB事务中的数据包是输出的。

·建立令牌包（SETUP）：通知设备，本次USB事务是要输出一个数据包。建立令牌包只能用在控制传输中，且只能发送到设备的控制端点（端点的概念见笔记九），SETUP后面的数据包只能是DATA0。

·帧起始包（SOF）：表示一帧的起始（帧的概念见第五章）。帧起始包后面不跟数据包。

2.2 数据包

数据包里的数据是真正需要传输的数据。之所以有不同的数据包，是用在当握手包出错时进行纠错。

2.3 握手包

握手包用来表示本次USB事务是否被对方确认。

其中ACK包主机和设备都可以使用，但NAK、STALL和NYET只有设备才可以返回，主机不能使用。

·ACK：正确接收数据，且有足够的空间容纳数据。

·NAK：没有数据需要返回，或者数据接收正确，但是没有足够的空间容纳数据。

·STALL：表示设备无法执行这个请求，或者端点被挂起了。

·NYET：数据接收正确，但是没有足够的空间容纳下一次数据。

2.4 特殊包

·PRE：通知集线器打开其低速端口。实质是一个令牌包。

·PING：等待设备返回ACK或者NAK，以判断设备是否能够转送数据。实质是一个令牌包。

·SPLIT：通知集线器将高速数据包转化为全速或者低速数据包发送。实质是一个令牌包。

·ERR：集线器在分裂事务中出现错误。实质是一个握手包。

三、USB事务

USB总线传输的基本单位虽然是包，但是单独的一个包不能传送数据的，必须按照一定的关系把这些不同的包按照一定的顺序组织起来，比如令牌包+数据包+握手包，USB才能够完整的传输一次数据。这样一次完整的USB传输过程，叫做USB事务。

一次USB事务通常由两个或者三个包组成：令牌包、数据包和握手包。因此我们可以按照令牌包的不同，把USB事物分为输入事务（令牌包为IN）、输出事务（令牌包为OUT）和建立事务（令牌包为SETUP）.

下图表示了两个用来输出数据的USB事务：

图中1，2，3为第一次USB事务，主机先发送一个OUT令牌包。然后发送一个数据包DATA1，DATA1中包含着需要发送给设备的数据。设备受到无误后，向主机返回一个握手包ACK。然后主机再发起下一次USB事务4，5，6。

有关EZ-USB对于一次USB事务的处理，可以参见第六章

四、USB传输类型

USB协议定义了4种传输类型：批量传输（bulk transaction）、同步传输（isochronous transaction）、中断传输（interrupt transaction）、控制传输（control transfers）。

4.1 批量传输

批量传输的一次传输事务为典型事务，包括一个令牌包（IN或者OUT包），后面跟数据包，包含传输的数据，最后是设备或主机返回的应答包（ACK，NAK，NYET或STALL）。

全速模式下批量传输的数据包大小为8,16,32或者64字节，高速模式下数据包大小为512字节。

4.2 同步传输

同步传输的一个传输事务只有令牌包和数据包，不返回应答包。

全速模式下同步传输数据包大小为1023字节，高速模式下数据包大小为1024字节。

4.3 中断传输

中断传输是一种保证查询频率的传输。中断端点在端点描述符中要报告他的查询间隔，USB主机要保证在小于这个时间间隔内安排一次传输。中断传输的一次传输事务与批量传输的事务相似。

全速模式下中断传输数据包最大为64字节，高速模式下最大为1024字节。

4.4 控制传输

控制传输分为三个过程（阶段）：建立过程、数据过程和状态过程。

4.4.1 建立过程

建立过程使用一个建立事务。该事务令牌包为SETUP。数据包只能用DATA0，数据包包含的数据为主机到设备的设备请求，USB协议规定了标准的设备请求，包括请求描述符等，当然，用户也可以定义自己的设备请求。设备返回的应答包只能为ACK，如果出错，则不返回任何应答。

4.4.2 数据过程

数据过程是可选的。一个数据过程可以包含一次或多次输入输出事务，但所有事务的方向必须相同。一旦事务的方向发生改变（令牌包方向改变），则认为结束了数据过程，进入下一过程。

数据过程的事务的令牌包为输入输出令牌（IN或OUT），数据包在DATA0和DATA1之间交替，且第一个数据包必须为DATA1。

4.4.3 状态过程

状态过程的事务与数据过程的事务方向相反。数据包只能使用DATA1。

五、USB帧

USB的帧是基于时间的，每毫秒的数据包为USB的一帧，与USB的包和事务的结构无关。

全速USB主机为了向USB设备提供时间基准，他会以广播的形式，每毫秒向所有的USB设备发送一个SOF包。该SOF包与该毫秒内所有后继的数据包叫做一个USB帧。

高速USB设备将每毫秒的一帧再分成8个微帧，每个微帧125微秒。

SOF包中包含一个11bit的帧号，该帧号每帧递增一个。同一个帧当中的所有微帧的SOF包的帧号相同。

EZ-USB每收到一个SOF包，会产生一个USB中断。

六、EZ-USB串行引擎

EZ-USB拥有一个串行接口引擎（SIE），一边直接与USB总线的数据线D+和D-相连，另一边递交和接收发往主机和发往设备的数据。

SIE能够对PID解码，进行CRC校验，并把真正需要的传送的数据发往USB设备。

同时，SIE还能够根据端点状态和校验结果，自动产生握手包（ACK，NAK等）发往主机。

SIE在一个USB传输事务中扮演的角色如下图所示

EZ-USB的SIE最大的特点是，EZ-USB的SIE可以完全自主的进行枚举，这允许EZ-USB在CPU复位期间，将USB主机上的固件程序下载到内部RAM中。