KA_IX

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USB的四种传输的各自特点

2020-12-9 16:19:05 显示全部楼层
我们知道有些端点是需要进行多次双向传输或者多次单向传输的,同时因为设备的功能不同,所需要的带宽和传输特性也不同,那么就需要一个更上层的机制解决以上问题,四大传输应运而生。

控制传输(Control Transfers)、中断传输(Interrupt Transfers)、批量传输(Bulk Transfers)、同步传输(Isochronous Transfers)称之为四大传输。接下来我们看看这些传输各自的特点,同时了解一下这些传输方式在生活中的应用。
控制传输一种可靠的双向传输,所有USB设备必须支持的一种传输方式,该传输一般发生在端点0 中,用于USB的枚举、配置(也可能进行其他数据传输)等阶段。而我们接下来需要详细介绍的传输方式就是它。
当设备插入主机后,主机通过端点 0 (还记得前面说它是双向端点吗)进行控制传输,通过一系列的数据交互,主机可以了解设备有多少个接口,有多少可用的端点等各种设备信息。你的设备能否被主机(电脑)正确识别,完全取决于控制传输能否正常进行。

在带宽(所谓带宽,可以认为主机对USB总线进行分时数据传输,比如1秒中使用100毫秒用于控制传输)使用上,高速端点的控制传输不能占用 20 %的微帧(125 us 一个微帧),全速和低速不能超过 10 %(1 ms 一帧)。

在控制传输中,为了实现完整的一次控制传输,一般由三个阶段组成:建立阶段、数据阶段(该阶段可能没有,由建立阶段的数据决定)、状态阶段,每一个阶段都由传输事务组成,即存在三个数据包的传输。

我们可以具体看看上面最简单的无数据阶段控制传输(其他传输类似):

这里需要特别注意的是,建立阶段一定是DATA0 数据包,之后如果有数据阶段,将进行翻转,变成 DATA1,并且在每次正确数据传输后都会进行一次翻转,这个机制用于保证数据被正确接收,而不是发送方发送的重复数据包(如果对方没有正确接收数据,DATAx不会翻转)。

在状态阶段,一律使用 DATA 1进行回复,状态阶段的数据包中的数据为空,也就是说不携带任何数据。同时,根据建立阶段中的数据要求不同,比如要求发送数据或者接收数据,将使用相反的 IN 或 OUT 令牌完成状态阶段,比如建立阶段主机要求发送 15 字节到设备中,那么数据阶段将先使用 OUT 令牌发送数据,之后在状态阶段主机将使用相反的 IN 令牌获得空数据包。因为传输时,可能需要多次传输事务才能完成数据阶段。

那么如何判断对方数据传输已经完成,从而让主机不再发送IN或OUT令牌包传输数据呢?

有两种可能:
如果传输的数据大小刚好是端点支持数据大小的整数倍,比如一个端点最大数据包长度为64字节,如果传输128字节,就需要在最后发送一个空数据包。
而如果要传输127字节,那么因为最后一个包不是满负载(只有63字节),所以也将认为数据传输完成。

也就是说,最后一个数据包一定不是满载的,前面的数据包一定是满载的。这代表了数据阶段的结束。当完成了以上几个阶段,一次控制传输才算完成。
中断传输中断传输时一种可靠的单向传输方式,采用定时轮询的方式收发数据,每次主机对中断端点查询时,如果设备有数据传输,则返回数据,否则NAK,表示未准备好。同理,如果是主机发送数据,如果设备没有准备好接收,也将使用 NAK 回复。如果需要双向传输,必须使用 IN 和 OUT 两个端点。
中断传输的延迟有保证,也就是说,可以在有限的延迟中完成传输,并且支持错误重传(在下一个周期进行重传),所以它是可靠的。因为可能产生错误重传,所以中断传输也会采用 PID 翻转的机制保证收发端数据的同步。

中断传输一般用于对延迟要求比较严格,同时数据量较小,比如我们常见的键盘、鼠标就是采用中断传输方式。

当你的鼠标、键盘插入电脑后,电脑在枚举配置成功后,就会按照描述符中的查询时间定时发送 IN 令牌包,获取所需的数据,如果设备没有数据发送,则回复 NAK。对于全速端点,中断传输的间隔在 1 ms 到 255 ms 之间,对于低速端点,间隔时间限制在10ms到255ms之间, 对于高速端点,间隔为2^bInterval-1×125us, bInterval的值在1到16之间。

CMSIS-DAP 调试器使用的就是中断传输,全速模式下1 ms 64 字节一包数据,所以最大传输速率是64 K,速率不是很高,如果使用高速,可以达到125 us 1024 字节,还有一种高速高带宽的中断端点,125 us 微帧内可以进行三次中断传输,即125 us 内可传输 3072 字节。

(注意上图未画出握手包)
批量传输批量传输是一种可靠的单向传输,但是和中断传输不同,传输延迟没有保证,它会尽可能的利用可以利用的带宽完成传输(说白了,就是个捡漏的),适合数据量比较大的传输。
当然如果说总线上只有批量传输,那么延迟也是能保证的,毕竟没人和它竞争带宽。现实中,U盘就是采用批量传输,因为它对时间延迟不是那么严格,只要可靠的完成大量数据的传输即可。

低速设备不支持批量传输,高速设备批量最大包长度为512字节,全速批量可以为 8、16、32、64,选择余地比较大。因为会错误重传,所以需要 PID 的翻转机制,即按照 DATA0 – DATA1 – DATA0 – DATA1……的方式翻转,允许 3 次以下的传输错误,超过三次,主机将认为端点功能错误 (STALL),放弃该端点的传输,需要主机使用控制传输恢复该端点的功能。

注意上面的 STALL 回复,这个代表端点错误,一旦回复该 STALL,如果没有主机干预,设备将一直使用 STALL 回复,说明该端点不支持该功能或者产生了错误。
同步传输这种传输是四大传输中唯一不可靠的传输方式,但是好处就是可以保证带宽,并且没有延迟,而且因为是不可靠的传输,所以没有握手包,也不支持 PID 翻转,主机在安排这些传输事务时,同步传输拥有最高的优先级。高速同步端点最大包长度为 1024,全速为 1023。
高速端点在一个微帧内仅允许一次同步传输事务,而高速高带宽的同步端点可以在一个微帧内传输三次,即3072 Byte / 125us。在现实中,这种传输用于摄像头、USB音响等,因为它们对实时性要求比较高,但是可以容忍错误(摄像头偶尔出现了一帧有错误的画面,没多大关系,因为下一帧画面马上就会传过来)。

在前面的介绍中,一直都有帧、微帧的身影,那么它是什么?我们知道,令牌包中有一种特殊的包,称之为 SOF (start of frame)包,格式如下:

CRC校验为 5 bit,和 11 bit 的帧号刚好凑成 16 bit 两个字节。高速设备中每过 125 us 发出一个微帧,全速每过 1 ms 发出一帧,之后才会开始数据传输。主机在每个帧(微帧)的开始传输一个SOF,每次帧号加 1,当达到 0x7FF 时,将清零重新开始计数。看图理解 SOF 和其他传输的关系:

看上图可以了解到,每过一定时间(1 ms或者 125 us),主机发出 SOF 包,接下来进行传输事务(四大传输中的一种),每一个传输事务中又包含了三个数据包(我们可以认为SOF就是 USB 总线中的时钟信号)。通过上图,我们就可以理解帧、传输、传输事务、包之间的关系了。

再用另一个图看看四大传输之间的关系:

可以看到,假如总线中有四类数据需要传输,那么主机将在每帧开始发送SOF包,然后优先安排同步传输,之后安排中断传输,其次是控制传输,最后才是批量传输(大容量传输),所以说批量传输是专业捡漏的。

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curton

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curton 2020-12-10 12:20:34 显示全部楼层
你的资源好多啊

我是来学习的









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