七、USB协议中的事务

smallerxuan2026-05-28 16:26

七、USB 协议中的事务（Transaction）详解

USB 协议学习目录

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目录

  • 一、概述
    • [1.1 事务在 USB 分层中的位置](#1.1 事务在 USB 分层中的位置)
    • [1.2 事务 vs 传输 vs 包](#1.2 事务 vs 传输 vs 包)
  • [二、USB 包的类型与结构](#二、USB 包的类型与结构)
    • [2.1 令牌包（Token Packet）](#2.1 令牌包（Token Packet）)
    • [2.2 数据包（Data Packet）](#2.2 数据包（Data Packet）)
    • [2.3 握手包（Handshake Packet）](#2.3 握手包（Handshake Packet）)
    • [2.4 特殊包（Special Packet）](#2.4 特殊包（Special Packet）)
  • [三、PID（Packet Identifier）详解](#三、PID（Packet Identifier）详解)
    • [3.1 PID 编码规则](#3.1 PID 编码规则)
    • [3.2 PID 类型速查表](#3.2 PID 类型速查表)
  • 四、三种基本事务
    • [4.1 SETUP 事务](#4.1 SETUP 事务)
    • [4.2 IN 事务](#4.2 IN 事务)
    • [4.3 OUT 事务](#4.3 OUT 事务)
  • 五、事务的详细流程与错误处理
    • [5.1 正常事务流程](#5.1 正常事务流程)
    • [5.2 NAK 响应处理](#5.2 NAK 响应处理)
    • [5.3 STALL 响应处理](#5.3 STALL 响应处理)
    • [5.4 超时与重传](#5.4 超时与重传)
  • [六、数据切换机制（Data Toggle）](#六、数据切换机制（Data Toggle）)
    • [6.1 Data Toggle 原理](#6.1 Data Toggle 原理)
    • [6.2 各种情况下的 Data Toggle 行为](#6.2 各种情况下的 Data Toggle 行为)
  • 七、事务与传输类型的关系
    • [7.1 控制传输中的事务](#7.1 控制传输中的事务)
    • [7.2 批量传输中的事务](#7.2 批量传输中的事务)
    • [7.3 中断传输中的事务](#7.3 中断传输中的事务)
    • [7.4 同步传输中的事务](#7.4 同步传输中的事务)
  • 八、帧与微帧中的事务调度
  • [九、USB 3.x 事务差异](#九、USB 3.x 事务差异)
  • 十、事务抓包实例分析
  • 十一、总结

一、概述

1.1 事务在 USB 分层中的位置

USB 协议采用分层架构，事务层（Transaction Layer） 位于数据包层之上、传输层之下，是连接两者的关键环节。
应用层

HID/Mass Storage/Video
传输层

Transfer Layer

控制/批量/中断/同步
事务层

Transaction Layer

SETUP/IN/OUT
数据包层

Packet Layer

Token/Data/Handshake
物理层

Physical Layer

差分信号/电气特性

事务层的职责：

  • 将传输 分解为多个事务
  • 管理数据包的顺序（Data Toggle）
  • 处理握手响应（ACK/NAK/STALL）
  • 控制总线访问时机

1.2 事务 vs 传输 vs 包

包（Packet）
事务（Transaction）
传输（Transfer）
分解为 N 个
由 2~3 个
一次完整的 Host-Device 数据交换

如: 读取 1024 字节文件
令牌包
数据包
握手包
总线上一次独立的信号传输

以 SYNC 开始，EOP 结束

三者的关系：

层级 单位 组成 类比
传输（Transfer） 一次完整的数据交换 1~N 个事务 一次文件读取
事务（Transaction） 一次独立的通信操作 2~3 个包 一次请求-响应
包（Packet） 总线上的一次信号突发 SYNC + PID + 数据 + EOP 一个数据帧

二、USB 包的类型与结构

所有 USB 包都以 SYNC 字段 开始，以 EOP（End of Packet） 结束。
SYNC (8 bit) 0 7 PID (8 bit) 8 15 数据载荷 (0~1023 byte) 16 23 CRC (5/16 bit) 24 31 EOP 32 39 USB 包通用结构

2.1 令牌包（Token Packet）

令牌包由 Host 发送，用于启动一次事务，声明事务类型和目标端点。
SYNC 0 7 PID (Token) 8 15 ADDR (7 bit) 16 26 ENDP (4 bit) 27 30 CRC5 (5 bit) 31 CRC5 (5 bit) 32 35 EOP 36 43 令牌包结构

令牌包类型：

PID 名称 功能
OUT 输出令牌 Host 向 Device 的 OUT 端点发送数据
IN 输入令牌 Host 从 Device 的 IN 端点读取数据
SETUP 设置令牌 Host 向 Device 发送 Setup 数据（控制传输）
SOF 帧起始令牌 Host 发送帧/微帧开始标记

2.2 数据包（Data Packet）

数据包携带实际的数据载荷，由 Host 或 Device 发送。
SYNC 0 7 PID (Data) 8 15 数据载荷 (0~1024 byte) 16 23 CRC16 (16 bit) 24 31 CRC16 (16 bit) 32 39 EOP 40 47 数据包结构

数据包类型：

PID 名称 用途
DATA0 数据 0 数据包（首次或偶数次）
DATA1 数据 1 数据包（奇数次）
DATA2 数据 2 USB 2.0 高速分裂传输
MDATA 数据 M 高速分裂传输

2.3 握手包（Handshake Packet）

握手包用于确认或拒绝数据传输，无数据载荷。
SYNC 0 7 PID (Handshake) 8 15 EOP 16 23 握手包结构

握手包类型：

PID 名称 发送者 含义
ACK 确认 Host/Device 数据正确接收，准备下一包
NAK 未就绪 Device 暂时无法处理，请重试
STALL 停止 Device 端点挂起，需要 Host 干预
NYET 未就绪 Device 高速传输中，尚未准备好

2.4 特殊包（Special Packet）

PID 名称 功能
PRE 前导 告诉 Hub 即将与低速设备通信
SPLIT 分裂 高速 Hub 分裂事务（连接全速/低速设备）
ERR 错误 Hub 报告分裂事务错误

三、PID（Packet Identifier）详解

3.1 PID 编码规则

PID 占 8 位，低 4 位标识类型，高 4 位是低 4 位的取反（用于校验）。

复制代码 
┌────────┬────────┐
│ PID[7~4] │ PID[3~0] │
│  ~低4位  │  类型码  │
│  校验用  │  实际含义 │
└────────┴────────┘

编码示例：

PID 名称 类型码 取反 完整 PID
OUT 0001 1110 11100001 = 0xE1
IN 1001 0110 01101001 = 0x69
SETUP 1101 0010 00101101 = 0x2D
DATA0 0011 1100 11000011 = 0xC3
DATA1 1011 0100 01001011 = 0x4B
ACK 0010 1101 11010010 = 0xD2
NAK 1010 0101 01011010 = 0x5A
STALL 1110 0001 00011110 = 0x1E

校验规则 ：如果 (PID & 0x0F) == (~(PID >> 4) & 0x0F)，则 PID 有效。

3.2 PID 类型速查表

PID 值 类型 组 说明
0xE1 OUT 令牌 Host → Device OUT 端点
0xD2 ACK 握手 确认接收
0x69 IN 令牌 Host ← Device IN 端点
0x5A NAK 握手 未就绪
0x2D SETUP 令牌 控制传输开始
0x1E STALL 握手 端点挂起
0xC3 DATA0 数据 数据包（偶数序号）
0x4B DATA1 数据 数据包（奇数序号）
0xA5 SOF 令牌 帧起始
0x3C PRE 特殊 前导包
0x78 SPLIT 特殊 分裂事务
0x87 EXT 特殊 扩展（保留）

四、三种基本事务

USB 2.0 定义了三种基本事务类型：SETUP、IN、OUT。所有传输类型都由这三种事务组合而成。

4.1 SETUP 事务

SETUP 事务用于控制传输的 Setup 阶段，由 Host 发起，向设备发送 8 字节的 Setup 数据包。
USB Device USB Host USB Device USB Host SETUP 事务（3 个包） SETUP 事务特点: 1. 总是 Host → Device 2. 总是使用 DATA0 3. 设备必须 ACK 4. 复位端点 Data Toggle TOKEN: SETUP + ADDR + ENDP DATA0: 8字节 Setup 数据 HANDSHAKE: ACK

SETUP 事务规则：

  1. 总是由 Host 发起
  2. 数据包总是使用 DATA0 PID
  3. 设备必须返回 ACK（不允许 NAK 或 STALL）
  4. 收到 SETUP 后，端点的 Data Toggle 被复位为 DATA0
  5. 数据载荷固定为 8 字节（Setup 数据包）

4.2 IN 事务

IN 事务用于从 Device 读取数据，Host 发送 IN 令牌，Device 返回数据。
USB Device USB Host USB Device USB Host IN 事务 - 正常情况 IN 事务 - 设备无数据 IN 事务 - 端点挂起 TOKEN: IN + ADDR + ENDP DATA0/DATA1: 数据 HANDSHAKE: ACK TOKEN: IN + ADDR + ENDP HANDSHAKE: NAK TOKEN: IN + ADDR + ENDP HANDSHAKE: STALL

IN 事务规则：

  1. Host 发送 IN 令牌，声明要读取的端点
  2. Device 响应：
    • 有数据 → 发送 DATAx + Host ACK
    • 无数据 → 发送 NAK
    • 端点挂起 → 发送 STALL
  3. 数据包使用 DATA0/DATA1 交替

4.3 OUT 事务

OUT 事务用于向 Device 写入数据，Host 发送 OUT 令牌和数据，Device 返回握手。
USB Device USB Host USB Device USB Host OUT 事务 - 正常情况 OUT 事务 - 设备忙 OUT 事务 - 端点挂起 TOKEN: OUT + ADDR + ENDP DATA0/DATA1: 数据 HANDSHAKE: ACK TOKEN: OUT + ADDR + ENDP DATA0/DATA1: 数据 HANDSHAKE: NAK TOKEN: OUT + ADDR + ENDP DATA0/DATA1: 数据 HANDSHAKE: STALL

OUT 事务规则：

  1. Host 发送 OUT 令牌 + 数据包
  2. Device 响应：
    • 接收成功 → 返回 ACK
    • 缓冲区满 → 返回 NAK
    • 端点挂起 → 返回 STALL
  3. 数据包使用 DATA0/DATA1 交替

五、事务的详细流程与错误处理

5.1 正常事务流程

收到数据/握手
是
否
超时
Host 决定发送事务
发送令牌包

OUT/IN/SETUP
等待响应
数据正确?
发送 ACK
不发送 ACK

超时重传
超时处理
事务完成

切换 Data Toggle
重传

5.2 NAK 响应处理

NAK 表示设备暂时无法处理，不是错误。
USB Device USB Host USB Device USB Host Host 向 Device 发送数据 Host 等待一段时间后重试 NAK 场景: - 设备缓冲区满 - 设备正在处理前一包 - 中断端点暂无数据 OUT + DATA0 NAK OUT + DATA0 NAK OUT + DATA0 ACK

NAK 的处理规则：

  • Host 收到 NAK 后，不重试同一帧，等待下一帧/微帧再试
  • 批量传输：Host 可以在同一帧内稍后重试
  • 中断传输：Host 在下一个 bInterval 周期重试
  • NAK 不切换 Data Toggle

5.3 STALL 响应处理

STALL 表示端点发生错误或被挂起。
USB Device USB Host USB Device USB Host Host 停止向该端点发送数据 端点 Data Toggle 复位为 DATA0 OUT + DATA1 STALL CLEAR_FEATURE (ENDPOINT_HALT, EPx) ACK OUT + DATA0 ACK

STALL 的处理规则：

  • Host 收到 STALL 后，停止向该端点发送事务
  • 必须通过 CLEAR_FEATURE(ENDPOINT_HALT) 清除
  • 清除后，端点 Data Toggle 复位为 DATA0
  • 控制端点的 STALL：通常表示请求不被支持或参数错误

5.4 超时与重传

是
否
是
否
是
否
Host 发送令牌包
启动超时计时器
收到响应?
CRC 正确?
超时
处理响应
重试次数 < 3?
重传相同包

不切换 Data Toggle
报告传输失败
事务完成

超时规则：

  • Host 发送令牌包后启动超时计时器
  • 超时时间取决于速度：FS 约 16~18 bit times，HS 更短
  • 超时后重传，不切换 Data Toggle
  • 通常重试 3 次后放弃

六、数据切换机制（Data Toggle）

6.1 Data Toggle 原理

Data Toggle 是 USB 保证数据包按正确顺序传输的机制。
USB Device USB Host USB Device USB Host 初始状态: Host=DATA0, Device=DATA0 双方切换: Host=DATA1, Device=DATA1 双方切换: Host=DATA0, Device=DATA0 假设此包丢失 Host 超时未收到 ACK 重传成功，双方切换: Host=DATA1, Device=DATA1 OUT + DATA0 ACK OUT + DATA1 ACK OUT + DATA0 OUT + DATA0 ACK

核心规则：

  1. 发送方和接收方各自维护一个 Data Toggle 位
  2. 成功传输后，双方同时切换（DATA0 ↔ DATA1）
  3. 接收方期望的 PID 与实际不符 → 丢弃数据但返回 ACK
  4. 发送方超时未收到 ACK → 重传相同 PID，不切换

6.2 各种情况下的 Data Toggle 行为

场景 Host Toggle Device Toggle 结果
初始状态 DATA0 DATA0 -
正常传输 + ACK 切换 DATA1 切换 DATA1 成功
数据包丢失 保持 DATA0 保持 DATA0 Host 重传 DATA0
ACK 丢失 保持 DATA0 切换 DATA1 Host 重传 DATA0，Device 收到重复数据，丢弃但 ACK
SETUP 包 复位 DATA0 复位 DATA0 控制传输开始
CLEAR_FEATURE(HALT) - 复位 DATA0 恢复端点

ACK 丢失的特殊情况：
USB Device USB Host USB Device USB Host 情况: 数据到达但 ACK 丢失 Host 未收到 ACK，认为传输失败 Device 已切换为 DATA1 收到 DATA0 ≠ 期望 DATA1 Host 收到 ACK，认为传输成功 但 Host 尚未切换! 双方恢复同步 OUT + DATA0 接收成功 ACK (丢失!) OUT + DATA0 (重传) ACK (丢弃重复数据) OUT + DATA1 ACK

七、事务与传输类型的关系

7.1 控制传输中的事务

控制传输由三个阶段组成，每个阶段包含多个事务。
USB Device USB Host USB Device USB Host === Setup 阶段 === === Data 阶段 (可选) === alt Host → Device (OUT) Device → Host (IN) === Status 阶段 === alt 无 Data 阶段 或 Data 为 OUT Data 为 IN SETUP + DATA0: 8字节 Setup ACK OUT + DATA1: 数据包1 ACK OUT + DATA0: 数据包2 ACK IN DATA1: 数据包1 ACK IN DATA0: 数据包2 ACK IN DATA1: ZLP ACK OUT + DATA1: ZLP ACK

控制传输事务组合：

阶段 事务类型 数据方向 PID 序列
Setup SETUP + DATA0 + ACK Host→Device SETUP→DATA0→ACK
Data OUT OUT + DATAx + ACK Host→Device OUT→DATA1→ACK→OUT→DATA0→ACK...
Data IN IN + DATAx + ACK Device→Host IN→DATA1→ACK→IN→DATA0→ACK...
Status OUT OUT + DATA1 + ACK Host→Device OUT→DATA1(ZLP)→ACK
Status IN IN + DATA1 + ACK Device→Host IN→DATA1(ZLP)→ACK

7.2 批量传输中的事务

批量传输由连续的 IN 或 OUT 事务 组成。
USB Device USB Host USB Device USB Host 批量读 (IN) 短包/ZLP = 传输结束 IN DATA0: 数据包1 (64B) ACK IN DATA1: 数据包2 (64B) ACK IN DATA0: 数据包3 (32B) ACK

批量传输结束标志：

  • 短包：数据包长度 < 端点最大包大小
  • ZLP：零长度包（wMaxPacketSize 的整数倍时）

7.3 中断传输中的事务

中断传输本质上是周期性的 IN 或 OUT 事务。
USB Device USB Host USB Device USB Host 中断传输 (周期性轮询) loop 每 10ms (bInterval) 无按键按下 loop 下一周期 loop 再下一周期 IN DATA0: 按键报告 (8B) ACK IN NAK IN DATA1: 按键报告 (8B) ACK

7.4 同步传输中的事务

同步传输无握手包，只有令牌包 + 数据包。
USB Device USB Host USB Device USB Host 同步 IN (无 ACK/NAK!) 无握手! loop 每帧/微帧 IN DATA0: 音频帧 (1023B) IN DATA1: 下一帧

同步传输特点：

  • 2 个包：令牌 + 数据（无握手）
  • 不保证数据正确性（无 CRC 重传）
  • DATA0/DATA1 仍然交替，用于同步而非纠错

八、帧与微帧中的事务调度

8.1 帧结构

SYNC 0 7 PID = SOF (0xA5) 8 15 Frame Number (11 bit) 16 26 CRC5 27 31 EOP 32 39 SOF 包结构

速度 帧周期 微帧数 帧号范围
Full Speed 1 ms 1 0~2047
High Speed 1 ms 8 0~2047
微帧周期 125 μs - -

8.2 帧内事务调度

SOF 包

帧开始
同步传输

带宽预留

最高优先级
中断传输

周期保证
控制传输

10% 带宽预留
批量传输

剩余带宽
帧结束

空闲

调度规则：

  1. 每帧/微帧以 SOF 开始
  2. 同步 + 中断 优先（带宽预留，延迟保证）
  3. 控制 最多 10% 帧带宽
  4. 批量 使用剩余带宽

九、USB 3.x 事务差异

特性 USB 2.0 USB 3.0+
通信方向 半双工 全双工
事务类型 广播 路由到目标设备
握手机制 ACK/NAK/STALL 每包 基于信用的流控制
数据同步 DATA0/DATA1 序列号机制
广播 所有设备接收 仅目标设备接收
端点数量 16 (IN+OUT) 32 (IN+OUT)
最大包大小 1024 (HS) 1024
突发传输 无 最多 16 个包不握手

USB 3.0 事务简化：

  • 不再使用 DATA0/DATA1，改用序列号
  • 允许突发传输（Burst），连续发送多个包
  • 使用信用机制（Credit-based Flow Control）代替 NAK

十、事务抓包实例分析

以下是一次 GET_DESCRIPTOR(Device, 8) 请求的事务级抓包：

事务 1：SETUP 事务

复制代码 
[Host]  TOKEN:  SETUP  ADDR=0  ENDP=0  CRC5=OK
        PID: 0x2D (00101101)
        
[Host]  DATA0:  Setup Packet (8 bytes)
        80 06 00 01 00 00 08 00
        PID: 0xC3 (11000011)
        CRC16: OK
        
[Device] HANDSHAKE: ACK
         PID: 0xD2 (11010010)

事务 2：IN 事务（Data 阶段）

复制代码 
[Host]  TOKEN:  IN  ADDR=0  ENDP=0  CRC5=OK
        PID: 0x69 (01101001)
        
[Device] DATA1:  Device Descriptor (8 bytes)
         12 01 00 02 00 00 00 08
         PID: 0x4B (01001011)
         CRC16: OK
         
[Host]  HANDSHAKE: ACK
        PID: 0xD2 (11010010)

事务 3：OUT 事务（Status 阶段）

复制代码 
[Host]  TOKEN:  OUT  ADDR=0  ENDP=0  CRC5=OK
        PID: 0xE1 (11100001)
        
[Host]  DATA1:  ZLP (Zero Length Packet)
        PID: 0x4B (01001011)
        CRC16: OK
        
[Device] HANDSHAKE: ACK
         PID: 0xD2 (11010010)

完整控制传输 = 3 个事务 = 9 个包：

事务 包 1 包 2 包 3 方向
SETUP SETUP DATA0 ACK Host→Device
IN IN DATA1 ACK Device→Host
OUT OUT DATA1 ACK Host→Device

十一、总结

传输组合
事务组合
包类型
Token

OUT/IN/SETUP/SOF
Data

DATA0/DATA1/DATA2/MDATA
Handshake

ACK/NAK/STALL/NYET
SETUP 事务

Token+Data0+ACK

控制传输 Setup 阶段
IN 事务

Token+Data+ACK

Host 读取数据
OUT 事务

Token+Data+ACK

Host 写入数据
控制传输

SETUP+IN/OUT+IN/OUT
批量传输

IN/OUT × N
中断传输

周期性 IN/OUT
同步传输

Token+Data

无握手

核心要点回顾：

要点 说明
事务 = 2~3 个包 令牌 + 数据 + 握手（同步传输无握手）
三种基本事务 SETUP、IN、OUT
SETUP 用 DATA0 且复位 Data Toggle
Data Toggle DATA0/DATA1 交替，保证顺序
NAK 暂时无法处理，不重试同一帧
STALL 端点挂起，需 CLEAR_FEATURE 恢复
同步传输 无握手，实时但不可靠
帧调度 SOF → 同步 → 中断 → 控制 → 批量
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