USB通讯原理

USB是轮询总线，USB主机与设备之间的数据交换都是由主机发起的，设备端只能被动的响应。USB数据传入或传出 USB 设备中的端点。

USB 主机中的客户端将数据存储在缓冲区中，USB主机没有端点的概念。

USB Host 和外围 USB Device 有不同的层，如下图所示。各层之间的连接是每个水平层之间的逻辑主机-设备接口。在逻辑连接之间使用USB Pipes传输数据。

USB通讯过程

一次完整的通信分为三个过程：请求过程（令牌包）、数据过程（数据包）和状态过程（握手包），没有数据要传输时，跳过数据过程。
通信过程包含以下三种情况：

主机发送令牌包（Token）开始请求过程，如果请求中声明有数据要传输则有数据过程，最后由数据接收方（有数据过程）或从机（无数据过程）发起状态过程，结束本次通信。
与USB全速设备通信时，主机将每秒等分为1000个帧（Frame）。主机在每帧开始时，向所有从机广播一个帧起始令牌包（Start Of Frame，SOF包）。它的作用有两个：一是通知所有从机，主机的USB总线正常工作；二是从机以此同步主机的时序。
  与USB高速设备通信时，主机将帧进一步等分为8个微帧（Microframe），每个微帧占125μ \muμs。在同一帧内，8个微帧的帧号都等于当前SOF包的帧号。

管道PIPE

管道分为两种类型：

• 消息管道具有已定义的 USB 格式并受主机控制。消息管道允许数据双向流动并且仅支持控制传输。
• 流管道没有定义的 USB 格式，可以由主机或设备控制。数据流具有预定义的方向，即IN或OUT。流管道支持中断传输、同步传输和批量传输。
  当 USB 设备连接到 USB 总线并由 USB 主机配置时，大多数管道就会存在。管道源自主机客户端内的数据缓冲区，并在 USB 设备内的端点处终止。

传输

传输（数据流类型）可以由一个或多个事务组成。管道仅支持以下传输类型之一：

• 控制传输通常用于设置 USB 设备。他们总是使用 IN/OUT 端点 0。
• 中断传输可用于定期发送数据的地方，例如状态更新。
• 同步传输传输实时数据，例如音频和视频。它们有保证的固定带宽，但没有错误检测。
• 批量传输可用于在时间不重要的情况下发送数据，例如发送到打印机。

事务

数据在所谓的事务中传输。通常，它们由三个数据包组成：

• 令牌包是定义事务类型和方向、设备地址和端点的标头。
• 数据以数据包的形式传输。
• 交易的最终状态是握手包中的确认。
  
  在事务中，数据从 USB 主机传输到 USB 设备，反之亦然。传输方向在从 USB 主机发送的令牌包中指定。然后，源发送一个数据包或指示它没有数据要传输。一般情况下，目的地会以握手包进行响应，指示传输是否成功。
  

数据包

数据包可以被认为是数据传输的最小元素。每个数据包以当前传输速率传输整数个字节。数据包以同步模式开始，随后是数据包的数据字节，并以数据包结束 (EOP) 信号结束。所有 USB 数据包模式都先传输最低有效位。数据包前后，总线处于空闲状态。

一个特殊的数据包是将 USB 总线分成时间段的帧起始数据包 (SOF)。每个管道在每个帧中分配一个时隙。Start-of-Frame 数据包在全速链路上每 1ms 发送一次。在高速下，1ms 帧被分成 8 个微帧，每个微帧 125μs。Start-of-Frame 数据包在每个微帧的开头使用相同的帧号发送。帧号每 1ms 递增一次。

端点

端点可以描述为数据源或接收器，并且仅存在于 USB 设备中。存储在端点的数据可以从 USB 主机接收或等待发送到 USB 主机。端点可以配置为支持USB 规范中定义的四种传输类型（控制传输、中断传输、同步传输和批量传输）。在硬件限制范围内，端点可以使用 USB 中间件进行配置（例如，将端点限制为某种传输类型）。

端点充当一种缓冲区。例如，USB 主机的客户端可以向端点 1 发送数据。来自 USB 主机的数据将被发送到OUT 端点 1. 微控制器上的程序将在准备好后立即读取数据。返回数据必须写入IN Endpoint 1，因为程序无法自由访问 USB 总线（USB 总线由 USB 主机控制）。IN Endpoint 1 中的数据一直保留在那里，直到主机向 Endpoint 1 发送 IN 数据包请求数据。

这些规则适用于所有微控制器设备：

• 一个设备最多可以有16 个 OUT和16 个 IN端点。
• 每个端点只能有一个 传输 方向。
• 端点 0仅用于控制传输，不能分配给任何其他功能。

端点的总数和每个端点的数据大小由底层硬件定义。

• OUT总是指从主机指向设备的方向。
• IN总是指指向主机的方向。