此次笔记将引入很多概念，这些概念对于你以后无论是写应用程序还是驱动程序都很有帮助
一、USB硬件拓扑结构
USB采用树形拓扑结构，一个主机最多可连接127个设备：
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Host（主机）：系统的根，控制所有通信
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Root Hub（根集线器）：主机内置的集线器，第一级连接点
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Hub（集线器）：扩展连接点，可连接多个设备
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Device（设备）：终端设备，如U盘、鼠标等
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Compound Device（复合设备）：内置集线器的设备
关键机制 ：主机通过设备地址精准寻址。每个设备插入时，主机会分配唯一地址（1-127），数据包中携带目标地址，确保数据正确送达。
二、数据包格式：通信的基本单元
2.1 包的组成结构
一个完整的数据包包含以下域（Field）：
[SOP] + [SYNC] + [Packet Content] + [CRC] + [EOP]-
SOP（Start Of Packet）：起始信号，总线从空闲状态切换到K状态
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SYNC（同步字段） ：固定模式（如
KJKJKJKK），让接收方同步时钟 -
包内容：包含PID、地址、数据等实际信息
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CRC（循环冗余校验）：错误检测码
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EOP（End Of Packet）：结束信号
2.2 PID类型：包的"身份证"
PID（Packet Identifier）8位，前4位为类型，后4位为前4位的取反（校验用）：
| 类型 | PID名 | 二进制 | 功能说明 |
|---|---|---|---|
| 令牌类 | OUT | 0001 | 主机→设备发送数据 |
| IN | 1001 | 主机←设备读取数据 | |
| SOF | 0101 | 帧起始（每1ms发送） | |
| SETUP | 1101 | 控制传输开始 | |
| 数据类 | DATA0 | 0011 | 数据包（交替使用） |
| DATA1 | 1011 | 数据包（交替使用） | |
| 握手类 | ACK | 0010 | 确认成功接收 |
| NAK | 1010 | 暂时无法处理 | |
| STALL | 1110 | 出错需主机干预 | |
| 特殊类 | PRE | 1100 | 前导（低速设备） |
2.3 地址和端点：精准定位
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设备地址：7位，最多127个设备（地址0用于初始配置）
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端点号：4位，每个设备最多16个端点
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端点0：控制端点（所有设备必备）
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其他端点：数据端点
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传输顺序：优先传输最低位（LSb first）
三、事务（Transaction）：完整通信流程
事务是USB传输的基本单位，由三个阶段组成：
3.1 三个阶段详解
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令牌阶段（Token Phase）
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主机发起，指定：目标设备地址 + 端点号 + 传输方向
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令牌包类型：OUT、IN、SETUP
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数据阶段（Data Phase）
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可选，可能没有或连续多个数据包
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数据包类型：DATA0、DATA1（交替使用防丢包）
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握手阶段（Handshake Phase）
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接收方回应传输状态
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握手包类型：ACK（成功）、NAK（忙）、STALL（错误）
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3.2 事务示例
主机写数据到设备：
cs
令牌阶段：主机发送OUT包（地址+端点）
数据阶段：主机发送DATA0包（实际数据）
握手阶段：设备回复ACK包主机从设备读数据：
cs
令牌阶段：主机发送IN包（地址+端点）
数据阶段：设备发送DATA0包（实际数据）
握手阶段：主机回复ACK包四、传输（Transfer）：面向应用的数据单元
传输由一个或多个事务组成，分为四种类型：
4.1 批量传输（Bulk Transfer）
特点 ：可靠、非实时、大数据量
应用 ：U盘、打印机
实现：单个批量事务
cs
事务流程：
[OUT/IN令牌] → [DATA0/DATA1数据] → [ACK/NAK/STALL握手]大数据传输：重复多个事务，DATA0/DATA1交替
4.2 中断传输（Interrupt Transfer）
特点 ：实时、小数据量、周期性轮询
应用 ：鼠标、键盘
实现 ：单个中断事务（格式同批量事务）
关键：主机按固定间隔（如1ms）发起IN事务查询设备
4.3 实时传输（Isochronous Transfer）
特点 ：实时、保证带宽、不保证正确性
应用 ：摄像头、音频设备
实现：实时事务（无握手阶段）
cs
事务流程：
[OUT/IN令牌] → [DATA数据]注意：无握手包，出错不重传
4.4 控制传输（Control Transfer）- 核心配置通道
特点 ：可靠、所有设备必须支持
应用 ：设备枚举、配置
实现：三个过程多个事务
五、控制传输详解：最复杂的传输类型
5.1 三阶段结构
cs
控制传输 = 建立过程 + 数据过程（可选）+ 状态过程阶段1：建立过程（Setup Stage）
cs
[SETUP令牌] → [DATA0数据（8字节请求）] → [ACK握手]-
固定使用DATA0
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8字节请求包含：请求类型、请求号、值、索引、长度
阶段2：数据过程（Data Stage）- 可选
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由0个或多个批量事务组成
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方向由建立过程指定
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数据包交替：DATA1 → DATA0 → DATA1...
阶段3：状态过程（Status Stage）
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方向与数据过程相反
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传输0长度数据包，固定用DATA1
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报告操作结果
5.2 控制传输类型
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控制写传输（数据过程为OUT）：
cs建立过程 → 数据过程（OUT） → 状态过程（IN 0长度） -
控制读传输（数据过程为IN）：
cs建立过程 → 数据过程（IN） → 状态过程（OUT 0长度） -
无数据控制传输：
cs建立过程 → 状态过程（IN 0长度）
5.3 状态响应（图：image.png(186.24KB)）
| 结果 | 控制写传输 | 控制读传输 |
|---|---|---|
| 成功 | 0长度数据包 | ACK握手 |
| 错误 | STALL握手 | STALL握手 |
| 忙 | NAK握手 | NAK握手 |
六、关键概念总结
6.1 层次关系
cs
传输（Transfer） → 由多个事务（Transaction）组成
事务（Transaction） → 由多个阶段（Phase）组成
阶段（Phase） → 由一个数据包（Packet）实现
包（Packet） → 由多个域（Field）组成
域（Field） → 由多个位（Bit）组成6.2 四种传输对比
| 传输类型 | 事务组成 | 握手阶段 | 数据交替 | 应用场景 |
|---|---|---|---|---|
| 批量传输 | 单个事务 | 有 | DATA0/1交替 | U盘、打印机 |
| 中断传输 | 单个事务 | 有 | DATA0/1交替 | 鼠标、键盘 |
| 实时传输 | 单个事务 | 无 | 无交替 | 摄像头、音频 |
| 控制传输 | 多个事务 | 有 | DATA0/1交替 | 设备配置 |
6.3 实际通信示例
场景：主机读取U盘文件
cs
1. 控制传输：枚举U盘，获取容量信息
- 建立过程：SETUP事务（读描述符请求）
- 数据过程：多个IN事务（读取描述符数据）
- 状态过程：OUT事务（0长度，确认完成）
2. 批量传输：读取文件数据
- 重复多个IN事务，每个事务：
[IN令牌] → [DATA0/DATA1数据] → [ACK握手]七、高级机制补充
7.1 数据交替机制（Data Toggle）
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发送方和接收方各维护一个位：DATA0/DATA1
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成功传输后双方同时翻转（0↔1）
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作用：检测丢包和重复包
7.2 错误处理
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CRC错误：直接丢弃，无响应
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NAK响应：稍后重试
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STALL响应：端点挂起，需主机清除
7.3 速度协商回顾
设备插入时通过上拉电阻位置声明速度：
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全速：D+上拉 → 主机识别为全速设备
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低速：D-上拉 → 主机识别为低速设备
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高速：先伪装全速，再通过握手切换到高速
八、学习要点回顾
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记住层次关系：传输→事务→包→域→位
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理解四种传输：根据设备特性选择传输类型
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掌握控制传输：所有设备的基础，用于枚举配置
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熟悉数据包格式：特别是PID类型和用途
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了解错误处理：NAK重试、STALL干预
这个完整的知识体系涵盖了USB从物理连接到应用层通信的所有关键概念，理解这些内容后，你就能透彻掌握USB的工作原理。