1、基本概念
- 一次传输（控制、批量、中断、同步）：由多个事务（Transaction）组成。
- 一个事务（IN、OUT、SETUP）：由一个或多个包（Packet）组成。
USB 数据在主机软件与 USB 设备特定的端点之间传输，主机软件与特定端点之间的关联叫做管道（Pipes）。一个 USB 设备可以拥有多个管道。
2、包 (Packet)
包（Packet）是 USB 系统中信息传输的基本单元，所有数据都必须打包后才能在总线上传输，且包只能在帧内传输。高速 USB 总线的帧周期为 125μs，全速与低速 USB 总线的帧周期为 1ms。帧的起始由专门的 SOF 包标识，帧尾为 EOF（EOF 不是一个包，而是一种电平状态，期间不允许传输数据）。
注意：虽然高速 USB 总线与全速/低速 USB 总线的帧周期不同，但 SOF 包中帧编号的递增速度是一样的。因为在高速 USB 系统中，SOF 包的帧编号实际取的是计数器的高 11 位，最低 3 位作为微帧（Microframe）编号未展示在帧号里，因此帧编号的递增周期同样为 1ms。
USB 总线上的传输时序如下：
- 包是 USB 总线上数据传输的最小单位，不能被打断或干扰，否则会引发错误。
- 若干个数据包组成一次事务传输；一次事务传输也不能被打断，属于同一次事务的几个包必须连续，不能跨帧完成。
- 一次完整的传输由一次或多次事务传输构成，可以跨帧完成。
USB 包由五部分组成：同步字段（SYNC）、包标识符字段（PID）、数据字段、循环冗余校验字段（CRC）和包结尾字段（EOP），基本格式如下图：
2.1 PID 类型 (即包类型)
2.2 Token Packets (令牌包)
此格式适用于 IN、OUT、SETUP、PING，对应的传输方向如下：
| PID | 数据传输方向 |
|---|---|
IN |
Device -> Host |
OUT |
Host -> Device |
SETUP |
Host -> Device |
PING |
Host -> Device（探测设备是否有空间接收数据） |
2.3 Start-of-Frame (SOF) Packets
SOF 包由 Host 周期性发送给 Device：
- 对于全速（Full-Speed）总线，每隔
1.00 ms ± 0.0005 ms发送一次。 - 对于高速（High-Speed）总线，每隔
125 μs ± 0.0625 μs发送一次。
SOF 包构成如下图所示：
2.4 Data Packets (数据包)
共有四种类型的数据包：DATA0、DATA1、DATA2 和 MDATA，通过 PID 区分。其中 DATA0 和 DATA1 用于实现数据翻转同步（Data Toggle Synchronization）。
2.5 Handshake Packets (握手包)
ACK：对于 IN 事务，由 Host 发出；对于 OUT、SETUP 和 PING 事务，由 Device 发出。NAK：对于 IN 事务，在数据阶段由 Device 发出；对于 OUT 和 PING 事务，在握手阶段由 Device 发出。Host 从不发送 NAK 包。
3、事务 (Transaction)
USB 总线上完成一次数据接收或发送的处理过程称为事务处理（Transaction）。一个事务由一系列 Packet 组成，具体包含哪些包取决于事务类型，通常由以下包构成：
- 一个 Token Packet（令牌包）
- 可选的 Data Packet（数据包）
- 可选的 Handshake Packet（握手包）
- 可选的 Special Packet（特殊包）
3.1 输入 (IN) 事务处理
输入事务处理表示 USB 主机从总线上的某个 USB 设备接收一个数据包的过程。
- 正常的输入事务处理：
- 设备忙时的输入事务处理：
- 设备出错时的输入事务处理：
3.2 输出 (OUT) 事务处理
输出事务处理表示 USB 主机把一个数据包发送到总线上某个 USB 设备的过程。
- 正常的输出事务处理：
- 设备忙时的输出事务处理：
- 设备出错时的输出事务处理：
3.3 设置 (SETUP) 事务处理
- 正常的设置事务处理：
- 设备忙时的设置事务处理：
- 设备出错时的设置事务处理：
4、USB 传输类型
USB 协议定义了 4 种传输类型：
- 控制传输 (Control Transfer)
- 批量传输 (Bulk Transfer)
- 中断传输 (Interrupt Transfer)
- 同步传输 (Isochronous Transfer)
4.1 控制传输 (Control Transfer)
控制传输由 2～3 个阶段组成：
- 建立阶段 (Setup Stage)
- 数据阶段 (Data Stage，无数据控制传输没有此阶段)
- 状态阶段 (Status Stage)
每个阶段都由一次或多次事务传输（Transaction）组成。控制传输主要用于设备枚举阶段读取描述符和下发配置，驱动软件也可使用控制传输实现特定命令交互，其数据传输不允许丢失。
4.1.1 建立阶段
主机向 USB 设备发起请求或下发配置参数。建立阶段包含 SETUP 令牌包、紧随其后的 DATA0 数据包以及 ACK 握手包，用来定义本次控制传输的请求内容（即数据阶段是 IN 还是 OUT、需要传输多少字节的数据，都在建立阶段设定好）。
4.1.2 数据阶段
用来传输主机与设备之间的负载数据。根据数据传输方向，控制传输分为 3 种类型：
- 控制读取（读取 USB 描述符）
- 控制写入（配置 USB 设备）
- 无数据控制
- 控制读取（Control Read）：将数据从设备读到主机（如读取设备描述符）。对每个数据包而言，主机先发送
IN令牌包请求读数据，设备通过DATA1/DATA0数据包将数据回传给主机。主机正确接收后回复ACK；若主机忙则回复NAK；发生错误则回复STALL。 - 控制写入（Control Write）：将数据从主机传到设备（如发送配置信息）。对每个数据包而言，主机先发送
OUT令牌包，紧接着通过DATA1/DATA0数据包将数据传给设备。设备正确接收后回复ACK；若设备忙则回复NAK；发生错误则回复STALL。
4.1.3 状态阶段
用来汇报整个控制传输过程已顺利结束。状态阶段的传输方向必须与数据阶段相反（原来是 IN 事务，状态阶段就用 OUT 事务；原来是 OUT 事务，状态阶段就用 IN 事务）：
- 对于控制读取：主机发送
OUT令牌包，随后发送 0 长度的DATA1包，设备回应ACK、NAK或STALL握手包。 - 对于控制写入：主机发送
IN令牌包，设备返回表示完成的 0 长度DATA1包，主机回应ACK、NAK或STALL握手包。
4.2 批量传输 (Bulk Transfer)
用于传输大量数据，要求数据准确无误，但对实时性没有严格要求，常用于打印机、U 盘等大容量存储设备。
一次批量传输（Transfer）由 1 次到多次批量事务（Transaction）组成。硬件层通过错误检测、握手包反馈和超次重传确保可靠传输：
- PID 翻转同步：发送端按
DATA0-DATA1-DATA0-...交替翻转的顺序发送数据包。只有收到ACK确认传输成功后才会翻转 PID 发送下一包；若接收端连续收到两个相同 PID（例如连续两个DATA0），则判定后一个是前一个包的重传。 - 错误重试限制：USB 允许连续 3 次以内的传输错误并自动重试，一旦成功则将错误计数器清零；若连续失败超过 3 次，Host 判定该端点异常（STALL），放弃传输任务。
批量事务由三种包组成（IN 事务或 OUT 事务）：
- Token（令牌包）
- Data（数据包）
- Handshake（握手包）
- IN 事务（IN Transaction）握手响应：
ACK：表示 Host 正确无误地接收到数据。NAK：指示设备暂时无法返回数据（如设备忙）。STALL：指示设备端点挂起，需要 Host 软件介入处理（如设备出错）。
- OUT 事务（OUT Transaction）握手响应（若收到的数据包存在 CRC 校验错误，Device 不发送任何握手包）：
ACK：Device 已正确接收数据包，通知 Host 可以按序发送下一包。NAK：Device 已正确接收数据包，但因临时状况（如缓冲区满）通知 Host 稍后重传。STALL：指示 Device 端点已停止，通知 Host 不再重传。
- Bulk 读写序列（由一系列 IN 事务或 OUT 事务组成）：
4.3 中断传输 (Interrupt Transfer)
中断传输由 IN 或 OUT 事务组成，常用于主机定期轮询设备是否有数据需要传输（如鼠标、键盘）。
- 中断传输在流程上除不支持
PING令牌外，其余机制与批量传输一致，同样采用DATA0/DATA1PID 翻转机制保证收发端数据同步。 - 主机在排定任务时，会根据中断端点描述符中指定的查询间隔周期性发起中断传输。
- 中断传输具有较高的优先级，仅次于同步传输。
4.4 同步传输 (Isochronous Transfer)
同步传输适用于必须以固定速率或在指定时刻送达、且可以容忍偶尔出错的实时数据流，常用于麦克风、音响喇叭、UVC 摄像头等音视频设备。
同步传输只包含两个包阶段：
- Token（令牌包）
- Data（数据包）
由于没有握手包（Handshake），同步传输不支持重传机制，也不支持 PID 翻转，属于不可靠传输；但在主机排定总线带宽和事务传输时，同步传输享有最高的优先级。
