USB基础 -- USB 控制传输（Control Transfer）的重传机制

USB 控制传输（Control Transfer）的重传机制

1. 控制传输的事务结构

控制传输分为三个阶段，每个阶段都有自己的事务，并可能触发重传机制：

1. 设置阶段（Setup Stage）：主机发送 8 字节的 Setup Packet。
2. 数据阶段（Data Stage）：主机或设备发送数据（可选）。
3. 状态阶段（Status Stage）：主机和设备确认传输完成。

每个阶段基于 USB 事务（Transaction），包括以下内容：

• 令牌包（Token Packet）：标识事务类型和数据方向。
• 数据包（Data Packet）：承载实际传输的数据。
• 握手包（Handshake Packet）：用于确认事务状态。

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2. 协议细节与比特位内容

令牌包（Token Packet）

• 格式：

  SYNC (8 bits) | PID (8 bits) | ADDR (7 bits) | ENDP (4 bits) | CRC5 (5 bits) | EOP
  

  • SYNC (8 bits)：同步字段，用于设备锁相。
  • PID (8 bits)：标识包类型，如 SETUP（0x2D）和 OUT（0xE1）。
  • ADDR (7 bits)：设备地址，指定目标设备。
  • ENDP (4 bits)：端点号，标识目标端点。
  • CRC5 (5 bits)：校验令牌包内容的循环冗余校验码。
  • EOP：包结束标志。

• 重传机制：

  • 如果设备未接收到完整或正确的令牌包，它会忽略事务，主机在超时后重发。

数据包（Data Packet）

• 格式：

  SYNC (8 bits) | PID (8 bits) | DATA (0-1024 bytes) | CRC16 (16 bits) | EOP
  

  • SYNC (8 bits)：同步字段。
  • PID (8 bits)：DATA0（0xC3）或 DATA1（0x4B）表示数据包序号。
  • DATA (0-1024 bytes)：实际数据，长度由事务决定。
  • CRC16 (16 bits)：校验数据包的完整性。

• 重传机制：

  • 如果设备收到数据包但校验失败（CRC16 错误），设备会发送 NAK（0x5A） 或不响应。
  • 主机会根据 NAK 信号进行重传。
  • 数据切换位（Data Toggle）：用于标识数据包的序号（DATA0 或 DATA1），主机和设备通过序号同步避免重复数据。

握手包（Handshake Packet）

• 格式：

  SYNC (8 bits) | PID (8 bits) | EOP
  

  • SYNC (8 bits)：同步字段。
  • PID (8 bits)：
    • ACK (0xD2)：设备正确接收数据。
    • NAK (0x5A)：设备暂时无法接收数据。
    • STALL (0x1E)：设备无法处理请求。

• 重传机制：

  • 如果主机未收到 ACK，或者收到 NAK/STALL，它会触发重试逻辑。
  • 重传次数由主机控制器实现，通常重试 3 次后报错。

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3. 重传逻辑触发点

以下情况可能触发控制传输的重传：

1. 令牌包丢失或损坏：

   • 如果设备未检测到完整的令牌包，则不响应，主机会超时后重传。

2. 数据包丢失或损坏：

   • 如果设备检测到 CRC16 错误，发送 NAK，主机会重传。
   • 如果数据序号不匹配（DATA0 或 DATA1），设备会忽略，主机重新发送。

3. 握手包丢失：

   • 如果主机未收到 ACK，会重新发送数据包。

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4. 示例流程：控制传输中的重传

假设主机与设备进行以下控制传输：

1. 主机发送 Setup Packet：

   • 主机发送令牌包和 DATA0，设备校验后发送 ACK。
   • 如果设备未发送 ACK，主机会重传。

2. 主机发送数据（数据阶段）：

   • 主机发送 DATA1 包。
   • 设备检测 CRC16 错误，返回 NAK。
   • 主机重发数据，直到收到 ACK。

3. 状态阶段：

   • 主机发送 IN 令牌包，设备返回 ACK 确认完成。
   • 如果主机未收到 ACK，会重传。

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5. 比特位重传的关键技术

• PID 检测：通过 PID 校验机制，设备和主机能检测包类型和有效性。
• CRC 校验：对令牌包和数据包进行错误检测。
• NAK 反馈：设备未准备好时，返回 NAK 请求重传。
• 超时机制：主机设定超时时间，未收到响应会重发。

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通过上述比特位级别的校验和反馈机制，USB 控制传输实现了可靠的重传逻辑，有效保证数据完整性和可靠性。