面试官问:USB 四大传输方式有哪些?

鱼鹰谈单片机 2020-08-26 00:00

来源:公众号【鱼鹰谈单片机】

作者:鱼鹰Osprey

ID   :emOsprey


我们知道, 传输事务解决了主机、设备之间交互一次数据的问题(请看上节笔记 USB 之传输事务),但是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,这是 USB 学习中最先遇到的拦路虎,也是很多人望而却步的一个地方,但是希望大家通过鱼鹰的介绍能够真正掌握它。
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)。
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 ,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。
正因为控制传输的情况比较复杂,所以学习起来也比较麻烦,不过鱼鹰会在接下来的 CDC 教程中详细介绍这种传输方式,目前暂时了解即可。

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、 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。


推荐阅读:
嵌入式系统优先级详解
KEIL 调试经验总结
线程CPU使用率到底该如何计算?
许久以后,你会感谢自己写的异常处理代码
终极串口接收方式,极致效率
延时功能进化论(合集)
如何写一个健壮且高效的串口接收程序?
打了多年的单片机调试断点到底应该怎么设置?| 颠覆认知

-THE END-



如果对你有帮助,记得转发分享哦


微信公众号「鱼鹰谈单片机

每周一更单片机知识

长按后前往图中包含的公众号关注


鱼鹰,一个被嵌入式耽误的畅销书作家

个人微信「EmbeddedOsprey

长按后打开对方的名片关注

鱼鹰谈单片机 面向软件开发进阶读者,分享包括但不限于 C 语言、KEIL、STM32、51 等知识!
评论
  • 在不断发展的电子元件领域,继电器——作为切换电路的关键设备,正在经历前所未有的技术变革。固态继电器(SSR)和机械继电器之间的争论由来已久。然而,从未来发展的角度来看,固态继电器正逐渐占据上风。本文将从耐用性、速度和能效三个方面,全面剖析固态继电器为何更具优势,并探讨其在行业中的应用与发展趋势。1. 耐用性:经久耐用的设计机械继电器:机械继电器依靠物理触点完成电路切换。然而,随着时间的推移,这些触点因电弧、氧化和材料老化而逐渐磨损,导致其使用寿命有限。因此,它们更适合低频或对切换耐久性要求不高的
    腾恩科技-彭工 2025-01-10 16:15 109浏览
  • PNT、GNSS、GPS均是卫星定位和导航相关领域中的常见缩写词,他们经常会被用到,且在很多情况下会被等同使用或替换使用。我们会把定位导航功能测试叫做PNT性能测试,也会叫做GNSS性能测试。我们会把定位导航终端叫做GNSS模块,也会叫做GPS模块。但是实际上他们之间是有一些重要的区别。伴随着技术发展与越发深入,我们有必要对这三个词汇做以清晰的区分。一、什么是GPS?GPS是Global Positioning System(全球定位系统)的缩写,它是美国建立的全球卫星定位导航系统,是GNSS概
    德思特测试测量 2025-01-13 15:42 498浏览
  • 01. 什么是过程能力分析?过程能力研究利用生产过程中初始一批产品的数据,预测制造过程是否能够稳定地生产符合规格的产品。可以把它想象成一种预测。通过历史数据的分析,推断未来是否可以依赖该工艺持续生产高质量产品。客户可能会要求将过程能力研究作为生产件批准程序 (PPAP) 的一部分。这是为了确保制造过程能够持续稳定地生产合格的产品。02. 基本概念在定义制造过程时,目标是确保生产的零件符合上下规格限 (USL 和 LSL)。过程能力衡量制造过程能多大程度上稳定地生产符合规格的产品。核心概念很简单:
    优思学院 2025-01-12 15:43 530浏览
  • 随着全球向绿色能源转型的加速,对高效、可靠和环保元件的需求从未如此强烈。在这种背景下,国产固态继电器(SSR)在实现太阳能逆变器、风力涡轮机和储能系统等关键技术方面发挥着关键作用。本文探讨了绿色能源系统背景下中国固态继电器行业的前景,并强调了2025年的前景。 1.对绿色能源解决方案日益增长的需求绿色能源系统依靠先进的电源管理技术来最大限度地提高效率并最大限度地减少损失。固态继电器以其耐用性、快速开关速度和抗机械磨损而闻名,正日益成为传统机电继电器的首选。可再生能源(尤其是太阳能和风能
    克里雅半导体科技 2025-01-10 16:18 331浏览
  • 数字隔离芯片是现代电气工程师在进行电路设计时所必须考虑的一种电子元件,主要用于保护低压控制电路中敏感电子设备的稳定运行与操作人员的人身安全。其不仅能隔离两个或多个高低压回路之间的电气联系,还能防止漏电流、共模噪声与浪涌等干扰信号的传播,有效增强电路间信号传输的抗干扰能力,同时提升电子系统的电磁兼容性与通信稳定性。容耦隔离芯片的典型应用原理图值得一提的是,在电子电路中引入隔离措施会带来传输延迟、功耗增加、成本增加与尺寸增加等问题,而数字隔离芯片的目标就是尽可能消除这些不利影响,同时满足安全法规的要
    华普微HOPERF 2025-01-15 09:48 83浏览
  • 随着数字化的不断推进,LED显示屏行业对4K、8K等超高清画质的需求日益提升。与此同时,Mini及Micro LED技术的日益成熟,推动了间距小于1.2 Pitch的Mini、Micro LED显示屏的快速发展。这类显示屏不仅画质卓越,而且尺寸适中,通常在110至1000英寸之间,非常适合应用于电影院、监控中心、大型会议、以及电影拍摄等多种室内场景。鉴于室内LED显示屏与用户距离较近,因此对于噪音控制、体积小型化、冗余备份能力及电气安全性的要求尤为严格。为满足这一市场需求,开关电源技术推出了专为
    晶台光耦 2025-01-13 10:42 511浏览
  • Snyk 是一家为开发人员提供安全平台的公司,致力于协助他们构建安全的应用程序,并为安全团队提供应对数字世界挑战的工具。以下为 Snyk 如何通过 CircleCI 实现其“交付”使命的案例分析。一、Snyk 的挑战随着客户对安全工具需求的不断增长,Snyk 的开发团队面临多重挑战:加速交付的需求:Snyk 的核心目标是为开发者提供更快、更可靠的安全解决方案,但他们的现有 CI/CD 工具(TravisCI)运行缓慢,无法满足快速开发和部署的要求。扩展能力不足:随着团队规模和代码库的不断扩大,S
    艾体宝IT 2025-01-10 15:52 164浏览
  • 随着通信技术的迅速发展,现代通信设备需要更高效、可靠且紧凑的解决方案来应对日益复杂的系统。中国自主研发和制造的国产接口芯片,正逐渐成为通信设备(从5G基站到工业通信模块)中的重要基石。这些芯片凭借卓越性能、成本效益及灵活性,满足了现代通信基础设施的多样化需求。 1. 接口芯片在通信设备中的关键作用接口芯片作为数据交互的桥梁,是通信设备中不可或缺的核心组件。它们在设备内的各种子系统之间实现无缝数据传输,支持高速数据交换、协议转换和信号调节等功能。无论是5G基站中的数据处理,还是物联网网关
    克里雅半导体科技 2025-01-10 16:20 449浏览
  • 电动汽车(EV)正在改变交通运输,为传统内燃机提供更清洁、更高效的替代方案。这种转变的核心是电力电子和能源管理方面的创新,而光耦合器在其中发挥着关键作用。这些不起眼的组件可实现可靠的通信、增强安全性并优化电动汽车系统的性能,使其成为正在进行的革命中不可或缺的一部分。光耦合器,也称为光隔离器,是一种使用光传输电信号的设备。通过隔离高压和低压电路,光耦合器可确保安全性、减少干扰并保持信号完整性。这些特性对于电动汽车至关重要,因为精确控制和安全性至关重要。 光耦合器在电动汽车中的作用1.电池
    腾恩科技-彭工 2025-01-10 16:14 82浏览
  • 流量传感器是实现对燃气、废气、生活用水、污水、冷却液、石油等各种流体流量精准计量的关键手段。但随着工业自动化、数字化、智能化与低碳化进程的不断加速,采用传统机械式检测方式的流量传感器已不能满足当代流体计量行业对于测量精度、测量范围、使用寿命与维护成本等方面的精细需求。流量传感器的应用场景(部分)超声波流量传感器,是一种利用超声波技术测量流体流量的新型传感器,其主要通过发射超声波信号并接收反射回来的信号,根据超声波在流体中传播的时间、幅度或相位变化等参数,间接计算流体的流量,具有非侵入式测量、高精
    华普微HOPERF 2025-01-13 14:18 495浏览
  • ARMv8-A是ARM公司为满足新需求而重新设计的一个架构,是近20年来ARM架构变动最大的一次。以下是对ARMv8-A的详细介绍: 1. 背景介绍    ARM公司最初并未涉足PC市场,其产品主要针对功耗敏感的移动设备。     随着技术的发展和市场需求的变化,ARM开始扩展到企业设备、服务器等领域,这要求其架构能够支持更大的内存和更复杂的计算任务。 2. 架构特点    ARMv8-A引入了Execution State(执行状
    丙丁先生 2025-01-12 10:30 471浏览
  • 食物浪费已成为全球亟待解决的严峻挑战,并对环境和经济造成了重大影响。最新统计数据显示,全球高达三分之一的粮食在生产过程中损失或被无谓浪费,这不仅导致了资源消耗,还加剧了温室气体排放,并带来了巨大经济损失。全球领先的光学解决方案供应商艾迈斯欧司朗(SIX:AMS)近日宣布,艾迈斯欧司朗基于AS7341多光谱传感器开发的创新应用来解决食物浪费这一全球性难题。其多光谱传感解决方案为农业与食品行业带来深远变革,该技术通过精确判定最佳收获时机,提升质量控制水平,并在整个供应链中有效减少浪费。 在2024
    艾迈斯欧司朗 2025-01-14 18:45 68浏览
  • 新年伊始,又到了对去年做总结,对今年做展望的时刻 不知道你在2024年初立的Flag都实现了吗? 2025年对自己又有什么新的期待呢? 2024年注定是不平凡的一年, 一年里我测评了50余块开发板, 写出了很多科普文章, 从一个小小的工作室成长为科工公司。 展望2025年, 中国香河英茂科工, 会继续深耕于,具身机器人、飞行器、物联网等方面的研发, 我觉得,要向未来学习未来, 未来是什么? 是掌握在孩子们生活中的发现,和精历, 把最好的技术带给孩子,
    丙丁先生 2025-01-11 11:35 465浏览
  • 根据Global Info Research(环洋市场咨询)项目团队最新调研,预计2030年全球无人机电池和电源产值达到2834百万美元,2024-2030年期间年复合增长率CAGR为10.1%。 无人机电池是为无人机提供动力并使其飞行的关键。无人机使用的电池类型因无人机的大小和型号而异。一些常见的无人机电池类型包括锂聚合物(LiPo)电池、锂离子电池和镍氢(NiMH)电池。锂聚合物电池是最常用的无人机电池类型,因为其能量密度高、设计轻巧。这些电池以输出功率大、飞行时间长而著称。不过,它们需要
    GIRtina 2025-01-13 10:49 201浏览
  •   在信号处理过程中,由于信号的时域截断会导致频谱扩展泄露现象。那么导致频谱泄露发生的根本原因是什么?又该采取什么样的改善方法。本文以ADC性能指标的测试场景为例,探讨了对ADC的输出结果进行非周期截断所带来的影响及问题总结。 两个点   为了更好的分析或处理信号,实际应用时需要从频域而非时域的角度观察原信号。但物理意义上只能直接获取信号的时域信息,为了得到信号的频域信息需要利用傅里叶变换这个工具计算出原信号的频谱函数。但对于计算机来说实现这种计算需要面对两个问题: 1.
    TIAN301 2025-01-14 14:15 113浏览
我要评论
0
点击右上角,分享到朋友圈 我知道啦
请使用浏览器分享功能 我知道啦