本文内容是基于 USB 2.0 。在讲述USB传输前，有必要先了解下USB的几个基本概念。

几个基本概念

本文内容是基于USB 2.0。在讲述USB传输前，有必要先了解下USB的几个基本概念。

USB主机（Host）

每一次传输都是主机发起的，不管是发送数据还是接收数据。

USB设备（Device）

设备会响应主机的请求，每个设备的内部固件中都会存有设备描述符来表明设备的基本信息，比如厂家ID、产品ID、配置数目、接口和端点信息等。

USB枚举

主机识别到有设备接入后，会发起枚举，读取设备的描述符信息后配置设备。

USB配置（Configuration）

一个设备有一个或者多个配置，主机可以通知设备选用哪个配置，但一个设备当前只能有一种生效的配置。

USB接口（Interface）

简单地说，一个接口表示一种功能，比如说这个设备既有虚拟串口功能，也有虚拟网口功能，可能还有大容量存储（U盘）功能。当然一个功能并不都是严格对应一个接口，有些功能可能需要两个以上的接口，这里为了简化描述，暂不深究。

USB端点（Endpoint）

端点简称EP，一个接口配置有一个或者多个端点。端点是主机和设备之间通信的部件，数据是从某个端点发送出去或者接收进来的。端点是有方向的，方向是基于主机侧来定义的，OUT方向是指从主机传出，IN是指传入主机。

USB传输、USB事务与USB包

USB传输由主机发起，任何时刻整个USB体系内仅允许一个数据包在传输。

USB传输有4种类型，控制传输、中断传输、批量传输和同步传输，每种传输有不同的适用场景。

传输由事务构成，事务类型有SETUP事务、DATA IN事务、DATA OUT事务，SETUP事务主要往设备发送控制命令，DATA IN事务主要从设备读取数据，DATA OUT事务主要往设备发送数据。每个事务采用“令牌包”-“数据包”-“握手包”的三段式传输机制（同步传输没有握手包）。

包是USB总线上数据传输的最小单位，其中的PID字段指明了包的类型。令牌包有IN/OUT/SETUP/SOF四种。前三种“令牌包”都含有指定数据包去向或者来源的设备地址和端点，从而保证了只有一个设备对总线上的数据包/令牌包作出响应。“握手包”表示了传输的成功与否。“数据包”承载实际数据。

USB传输、事务、包是从不同层次上去说明一次数据交互的三个概念。一次传输包含多个事务，一个事务包含多个包。直接看一下USB协议分析仪的抓包示例，可能更清楚一些：

控制传输

控制传输是一种可靠的传输，所有USB设备都必须支持的一种传输方式，主机在枚举设备的过程中就是通过端点0进行控制传输。一次控制传输可分为三个阶段：

第一阶段为建立阶段，通过SETUP事务指定了此次控制传输的请求类型；

第二阶段为数据阶段，也有些请求没有数据阶段；

第三阶段为状态阶段，通过一次IN/OUT事务表明请求是否成功完成。

下图是通过USB协议分析仪抓取U盘的某次控制传输，对应的是枚举阶段获取设备描述符：

Control SETUP事务展开图：

Control IN事务展开图：

Control OUT事务展开图：

中断传输

中断传输是一种可靠的传输，主机通过固定的间隔对中断端点进行查询，如果设备有数据则往主机回送数据，否则回送NAK。同样的，如果主机要发送数据，设备没有准备好接收，也会回送NAK。

下图是通过USB协议分析仪抓取的USB camera的某次中断传输（control数据，非图像数据）：

Interrupt IN事务展开图：

批量传输

批量传输是一种可靠的传输，但延迟没有保证，它尽量利用可以利用的带宽来完成传输，适合数据量比较大的传输。高速批量端点的最大包长度为 512。

对于批量输出，如果设备收到的数据包正确，并有足够的空间保存数据，那么设备会返回ACK握手包或NYET握手包（只有高速模式才有NYET握手包，它表示本次数据接收成功，但是没有能力接收下一次传输）。如果设备收到的数据包正确，但是没有足够的空间保存数据：设备返回NAK握手包。主机收到NAK，延时一段时间后，再重新进行批量输出。

对于批量输入，如果设备没有准备好数据，则回送NAK，否则回送数据包。

批量传输由一个或者多个IN / OUT事务组成，下图是抓取的U盘某次批量传输：

Bulk OUT事务展开图：

同步传输

同步传输是一种实时的、不可靠的传输，不支持错误重发机制。高速同步端点的最大包长度为1024。

常规情况下，一个微帧内仅允许一次同步事务传输；但是，高速高带宽端点最多可以在一个微帧内进行三次同步事务传输，传输高达3072字节的数据，这个特性对数据量较大的设备比如USB camera的性能表现有很重要的影响。

下图是抓取的USB Camera的某次同步传输：

Isoch IN事务展开图：

USB包

USB包由SOP（包起始域）、SYNC（同步域）、Packet Content（包内容）、EOP（包结束域）四部分组成，其中SOP、SYNC、EOP为所有包共有的域，Packet Content由PID、地址、帧号、数据、CRC组成，注意这只是一个通用构成，不同类型的包，Packet Content的构成会有一些区别。

USB包按大类分为令牌包、数据包、握手包和帧首包，每个大类里面还有具体类型，比如令牌类有OUT/IN/SETUP等，数据类有DATA0/DATA1等，包的类型由Packet Content中的PID指定。这里不罗列所有类型的包，只抓取几个有代表性的包来看看。

下图是抓取的某个SETUP包的Packet Content：

下图是抓取的某个SOF包的Packet Content：

下图是抓取的某个DATA1包的Packet Content：

USB帧与微帧

USB帧与微帧属于USB传输中时间基准的概念。低速和全速下每个帧时长为1ms，高速下每个帧又分为8个微帧，每个微帧时长为125us。USB 2.0 规范上有详细描述，如下图所示。

在每一个帧（微帧）的起始点，会发送一个SOF包（帧起始包），帧起始包之后可以是输出（OUT）、输入（IN）、建立（SETUP）等令牌包，或者没有包。数据的传输在每个帧（微帧）内进行，如果没有数据要传输，则SOF包发送完毕之后，总线进入空闲状态。