USB传输类型之Control Transfer

date
Mar 1, 2022
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2022-03-01-usb-control-transfer
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USB
summary
本文基于对usb in a nutshell相关章节的学习,总结了控制传输类型的完整工作流程。并以USB设备描述符的读取通信过程加以说明。
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USB的控制传输通常用于传输控制命令和状态信息数据。USB最重要的功能枚举功能就是通过控制传输来完成的。
USB的控制传输最多包含有3个通信阶段:Setup Stage、可选的Data Stage和Status Stage。每个Stage都包含有多个USB事务和通信包。
  • 实际上每个Stage也就是一个所谓的事务Transaction,这样的话一个控制传输也就包含3个Transaction。每个Transaction/Stage则包含有多个Packet。

Setup Stage

Setup Stage包含有三个USB packet:Setup token packet,data packet和ack packet。
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  • Setup Token:就是一个标准的Setup token packet,使用PID(0b1101)进行标记,其中包含有device端的设备地址和端点号;
  • Data:Data部分实际上就是在内部包含了一个定长8字节的Setup Packet,在其中详细定义这个控制传输的请求类型;
  • ACK:最后的ACK包用于标记Device是否已经成功接收并处理了前面的两个包。
    • 在device端成功接收并处理的情况下,会应答一个标准的ACK包;
    • 如果通信过程中出错的话Device不会发出NAK或者STALL包;
注意:Setup Token和Data packet中包含的Setup Packet尽管名称很类似,但这两者是完全不同的概念。
Setup Token是一个标准的USB token packet;其包结构为:
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而Setup Packet则是一个USB Data Packet;其包结构为:
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Data Stage

Data Stage是可选的。
Data Stage中可以包含一个或者多个IN或者OUT类型的数据包。例如USB枚举过程中,一般USB配置描述符信息比较大,在一个Data IN Packet中容纳不下,就需要分为多个IN Packet对描述符信息进行传输。
Data Stage中要传输的数据长度,在Setup Stage中的Data Packet中包含的Setup Packet wLength Field中指定。如果要传输的数据长度超过单个IN或者OUT Packet的最大支持长度,就需要分为多个包进行传输。
在Data Stage具体是用IN还是OUT类型的传输,要看这个控制传输的具体使用场景是什么。一般SET类的控制传输请求都是使用OUT类型的Data Stage,而GET类的控制传输请求都是使用IN类型的Data Stage。
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IN类型的Data Stage:
  • Host端在做好接收数据准备的情况下,发出一个标准的IN Token(PID=0b1011),其中包含有通信的目的device地址和端口号;
  • Device发回一个Data packet;
  • Host收到并正确处理后发出一个ACK信息;
    • 如果通信中Device端接收到的IN Token错误,Device端直接对其忽略,并不做任何响应;
    • 如果通信中Device端的IN端点发生错误,无法正确发出DATA packet的时候,Device会返回一个STALL Packet;
    • 如果通信中Device端的IN端点没有问题,但是目前Device端无数据可以发送,Device端会返回一个NAK Packet;
  • 如果Host有多个Data Packet要读取的话,都需要按照以上的IN-DATA-ACK的流程进行通信
OUT类型的Data Stage:
  • Host端首先发出一个标准的OUT Token(PID=0b0001),其中包含有通信的目的Device地址和端口号;
  • Host端紧接着再发出一个Data Packet;
  • Device端正确的接收并处理以后发出一个ACK Packet;
    • 如果通信中OUT Token和Data Packet出现任何错误,Device端直接对其忽略,不做任何响应;
    • 如果通信中Device端的OUT端点buffer正在处理之前接收的数据,尚无法接收新数据的时候,Device端会返回一个NAK Packet;
    • 如果通信中Device端的OUT端点发生错误,无法正确接收数据的时候,Device端会返回一个STALL Packet;
  • 如果Host有多个Data Packet要发送的话,都需要按照以上的OUT-DATA-ACK的流程进行通信

Status Stage

Sattus Stage用于对本次完整的控制传输通信业务再进行一次总的应答和报告,这样Host和Device两者都能清楚的知晓本次控制通信的业务是否完整、正确完成。
根据Data Stage阶段Host是从Device读取数据,还是向Device发出数据,Status Stage也分为两种类型的状态应答:
IN:当Host在Data Stage阶段通过发出IN Token从Device端读取数据的时候,就需要在Status Stage向Device发出信息,告知自己已经正确的接收并处理数据。
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  • 具体的做法就是:Host端先发出一个OUT Token,然后紧跟着再发出一个长度为0的Data Packet。Device正确接收前面两个包以后,就会返回一个ACK packet。至此这次控制传输至此就完整的完成了。
OUT:当Host在Data Stage阶段通过发出OUT Token向Device端发送数据的时候,Device就需要在Status Stage向Host发出信息,告知自己已经正确的接收并处理数据。
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  • 具体的做法就是:Host端先发出一个IN Token,然后紧跟着从Device端的IN端点上读取一个长度为0的Data Packet。如果以上通信正确,Host就会返回一个ACK packet。至此这次控制传输至此就完整的完成了。

读取设备描述符的完整控制传输例子

以Host在USB枚举阶段从Device端读取设备描述符的例子,来解释完整的控制传输的过程。
仍然是包括以上三个阶段:
1.Setup Stage
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  • 这个阶段总共有3个包:Host发出的Setup Token Packet和Data Packet,以及Device的ACK Handshake Packet。
  • 通信的目的device地址和端点号包含在Setup Token Packet中;
    • 因为是控制传输类型,所以这里的端点号固定为0;
  • 读取设备描述符的请求是一个标准的Standard Setup Packet,定长8字节,封装在Data Packet中的Data0 Field中。
    • Device接收到Setup token以后,也就知道在其后面紧跟的Data Packet中包含的就是一个标准的Setup Packet;然后Device端对这个Setup packet进行解析,就能够知道这次控制传输请求的的目的是什么,而Data Stage要读取的数据长度则包含在Setup Packet的wLength Field中;
2.Data Stage
Device端接收到Setup Stage中包含的Setup Packet,并对其解析以后,就能够得知Host是要读取设备描述符。然后就在Data Stage中通过IN方式返回自己的设备描述符给Host。
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  • 每个IN Data packet所包含的数据长度是有限制的,如果Host要读取的数据长度超过了这个限制,就需要分为多个IN Packet进行传输,而每个IN Packet的传输都需要包含IN Token-Data Pakcet-ACK Handshake三个阶段,直到所有数据全部发送完成。
  • 上面的例子中,设备描述符的长度是12个字节,单个data packet的长度限制是8个字节,所以分为两个data packet发给host,第一个packet为8字节,第二个packet为剩下的4字节。
3.Status Stage
Host端成功读取device端的设备描述符以后,就需要通过发出一个0长度的OUT Data Packet通知Device,至此这个读取设备描述符的控制传输过程就完整的完成了。
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参考资料:


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