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《对 USB 协议层的深层分析》 frank_wang 北航 Apr. 17

,2004

《对 USB 协议层的深层分析》

文档说明

文档名称对 USB 协议层的深层剖析

文档作者 frank_wang 北航

E-Mail： frank_wang@263.net

frank_wang@buaa.edu.cn

Web-Site

： embedusb.51.net

欢迎赐教！

完成日期

Apr 17th,2004

内容说明针对 USB 设备或主机开发过程中的调试

过程，如果能对协议的过程和细节内容了解地

非常清楚，则对于调试过程非常有帮助，就意

味着可以预测主机（或设备）下一步应该做什

么，此文档目的在于描述控制传输和批量传输

的协议细节。作为对《US

B 项目技术报告》

(frank,2002 年 12 月)一文的补充

项目技术报告》一文一起转载，用于学习。

版本

当前状态完成

《对 USB 协议层的深层分析》 frank_wang 北航 Apr. 17

,2004

A.1 基本分组格式

USB 总线上传输的分组（Packet）格式有四种：令牌（Token）、帧开始（SOF）、数据

（DATA）和握手（HandShake）四种。SOF 分组对于本文中所分析的协议内容没有多少影

响，下面只考虑令牌、数据和握手分组三种情况。

A.1.1 令牌分组

令牌分组(Token Packet)由 PID、ADDR 和 ENDP 构成，其中 PID 指定了分组是 IN、OUT

还是 SETUP 类型。对于 PID 为 OUT 和 SETUP 类型的传输，地址和端点域唯一地确定了接

下来将收到数据（DAT

A）分组的端口。对于 PID 为 IN 类型的传输，这些域唯一地确定了

哪个端口应该传送数据分组。只有主机能发出令牌分组。结合 US

B 协议中的上述论述，可

以简要地总结出以下内容：

1、发往地址 0 和端点 0 的 SETUP 类型的分组，是主机发出的配置包，它属于控制传

输，其接下来的传输内容，我们有理由根据控制传输的特点来期许，这一点后面介绍。如图

图 A-1，是一个典型的配置分组(SETUP Packet

)。

说明：对于英文术语的翻译，可能不同人的习惯不一样，我根据大家都熟悉的叫法，

并使其前后意思符合逻辑。且第一次出现时在括号中增加英文原文。错漏之处，望不吝赐教！

A、完整的数组序列

B、简化的数据序列

图 A-1 配置分组

注意：图 A-1 中，A 为完整的 USB 总线上的数据序列，但为了简洁，本文后面都用 B

的形式，即隐藏了 sync、CRC 和 Idle 域的内容。这些数据来自于 USB 协议分析协，虽然

我们在调试过程中可能没有协议分析协，但本文是用它来帮助我们理解协议，本文介绍的内

容并非仅用来分析 US

B 协议分析仪得到的数据。

2、发往地址 0 和端点 0 的 IN 和 OUT 类型的分组，是主机发出的读或写数据的控制类

型的传输。其接下来的传输内容，我们有理由根据控制传输的特点来期许，这一点后面介绍。

如图 A-

2 和图 A-3 所示，分别是一个 IN 分组和一个 OUT 分组。

图 A-2 配置端点读入

图 A-3 配置端点输出

注意：当主机完成 SetAddress 命令后，主机将为设备指定确定地址。上述分组中的地

《对 USB 协议层的深层分析》 frank_wang 北航 Apr. 17

,2004

址域将变成非 0，但配置阶段的各分组的端点域仍然为 0。

3、发往非 0 端点的批量端点的 IN 和 OUT 类型的分组，是主机与设备间的批量传输类

型分组。其接下来的传输内容，我们有理由根据控制传输的特点来期许，这一点后面介绍。

如图 A-

4 和 A-5 所示，分别是是发往端点 1 的 IN 分组和端点 2 的 OUT 分组。

图 A-4 批量端点读入

图 A-5 批量端点输出

A.1.2 数据分组

数据分组（DATA Packet）由 PID、包括至少 0 个字节数据的数据域和 CRC 构成（下面

的 CR

C 域均隐藏）。其中 PID 指示两种类型的数据包：DATA0 和 DATA1。两种数据包 PID

是为了支持数据切换同步（Data Toggle Synchronization）而定义的。结合 USB 协议中的上

述论述，可以简要地总结出以下内容：

1、非零长度的数据分组：

数据分组的长度非零，则分组由 PID 和数据组成，如图 A-6 和 A-7 所示。

图 A-6 PID 为 DATA0 的非零长度的数据分组

图 A-7 PID 为 DATA1 的非零长度的数据分组

2、零长度的数据分组：

允许数据长度为 0 的数据分组。在 USB 里，数据长度为 0 和没有数据概念有些不一样。

如图 A-8 所示。

图 A-8 数据长度为 0 的数据分组

因为 USB 协议中规定，零长度的数据分组一般用于控制传送的状态阶段（大多数时候

如此，在批量传输阶段，有时也见需要回复零长度的数据分组）。状态阶段的令牌分组是以

相对前面的阶段的数据流方向的变化来刻划的（比如前面为 OUT，则状态阶段的令牌类型

就是 IN），并且其数据分组总是使用 DATA1 PI

D。

A.1.3 握手分组

握手分组是除令牌分组和数据分组之外的另一种分组。握手分组仅由 PID 构成。握手

分组用来报告数据传输的状态（即握手分组总是跟在 DATA0 或 DATA1 分组的后面）。表示

数据成功接收、命令的接收或拒绝、流控制（Flow Control）和停止（Halt）条件。只有支持

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