目录

• 一、前言
• 二、USB 硬件拓扑与一主多从传输核心
• 三、USB 数据包的基础组成格式
• 四、PID 标识域的核心定义与规则
• 五、令牌类包的格式与通知作用
• 六、USB 事务的完整传输流程与层级
• 七、总结
• 八、结尾

一、前言

在上一篇笔记中，我们深入学习了 USB 的电气信号与物理层传输规则，掌握了 USB 的底层通信基础。而 USB 能够实现稳定的一主多从数据交互，核心依托的是协议层制定的标准化数据格式与传输规则。协议层定义了 USB 数据的封装方式、传输流程、交互逻辑，是连接物理层与应用层的核心桥梁。本次笔记将详细讲解 USB 协议层的完整数据格式，理清包、域、事务的层级关系与传输逻辑，吃透 USB 一主多从的通信本质。

二、USB 硬件拓扑与一主多从传输核心

USB 的通信架构本质为标准的一主多从结构，所有的通信交互均由 Host 主机端发起，外设设备仅做响应，对应的 USB 硬件拓扑结构如下图：

在这种一主多从的硬件架构下，核心问题就是：如何精准实现 Host 与多个设备之间有序、无冲突的数据传输？

答案是依靠标准化的协议层数据格式：所有的交互均由 Host 主动发送数据包，数据包中会明确包含「传输目的地址」与「数据传输方向」等关键信息，所有接入的 USB 设备仅接收匹配自身地址的数据包，以此实现多设备的精准通信，杜绝数据交互的混乱。

三、USB 数据包的基础组成格式

USB 中所有的数据交互，都是以数据包（Packet） 为基本单位完成，任何一个完整的 USB 数据包，都有统一的基础组成格式，不存在例外，具体格式如下：

起始信号SOP、同步信号SYNC、数据包内容Packet Content、结束信号EOP。

其中起始信号 SOP 与同步信号 SYNC，在 USB 协议中被统一称作域（Field），是组成数据包的基础单元，完整的数据包格式参考下图：

四、PID 标识域的核心定义与规则

在数据包的核心内容中，PID（Packet ID）包标识域 是最核心的组成部分，它决定了当前数据包的核心属性。

PID 域由固定的8 位二进制数据组成，这 8 位数据中，包含了当前数据包的「传输方向」以及「数据包类型」两大核心信息。值得注意的是，这两类关键信息实际上仅由前 4 位数据就可以完整表示，后 4 位数据是对前 4 位数据的逐位取反，作用是做数据校验，提升 PID 识别的准确性，PID 的结构详情如下图：

4 位有效数据的组合特性决定了，PID 可以组成16 种不同的类型，这 16 种类型又被归纳为 4 个核心种类，形成 4 类 16 种组合的完整规则，对应类型划分如下图：

五、令牌类包的格式与通知作用

在 PID 划分的四类数据包中，令牌类包是 USB 通信的核心控制包，它的核心作用就是起专属的「通知作用」，也是实现一主多从精准通信的关键。

令牌类 PID 的通知对象有明确区分：

• SOF令牌包：作用是通知总线上的所有 USB 设备，是一种广播式的通知指令；
• OUT/IN/SETUP令牌包：作用是精准通知总线上的某个指定 USB 设备，是点对点的专属通知指令。

对于OUT、IN、SETUP这类需要精准通知到具体设备的令牌包，也有固定且完整的组成格式，具体格式参考下图：

以令牌类包的完整发送为例，当 Host 主机需要发送令牌包，通知指定设备执行对应的操作时，会严格遵循固定的封装格式：SOP + SYNC + PID（令牌包） + 目的地(addr+endpoint) + CRC校验 + EOP。

这套格式是 USB 协议层的核心规范，所有令牌类包的传输都遵循此规则，其中addr是设备地址，endpoint是设备端点号，二者结合实现对设备的精准定位。

六、USB 事务的完整传输流程与层级

理解了令牌类包的传输逻辑后，数据类包的传输流程就变得十分清晰，二者的传输逻辑基本一致：只需要将令牌包中的「令牌类 PID」替换为「数据类 PID」，再将数据包中的「目的地地址信息」替换为「具体的传输数据」，即可完成实际业务数据的封装与传输。

当 USB 设备成功接收并解析完 Host 发送的数据包后，会向 Host 主机返回响应数据包，这类响应包为握手类包，其封装格式为：SOP + SYNC + PID（握手类） + EOP。

在 USB 协议中，令牌包、数据包、握手包三者共同组合，就构成了一次完整的 USB 事务（Transaction），也是 Host 与 USB 设备完成一次完整数据交互的最小单位，这也是 USB 实现一主多从数据传输的完整逻辑。

对应到传输阶段，发送令牌包的过程被称作token phase令牌阶段，传输数据包的过程为Data phase数据阶段，回复握手包的过程为hand shake phase握手阶段。

简单来说，USB 的任何一次完整事务交互，都会依次经历三个固定阶段：令牌阶段 → 数据阶段 → 握手阶段。无论哪一方作为数据的收发主体，都需要先通过令牌包指定通信的地址与方向，再传输实际的业务数据，最后通过握手包完成交互确认，缺一不可。

而从 USB 协议的层级关系来看，还有清晰的组成逻辑：二进制位数据组成域、不同的域组合成包、不同类型的包组合成事务；事务的核心就是包含令牌、数据、握手三个传输阶段，层层递进，规范有序。

七、总结

1. USB 为一主多从架构，由 Host 主导通信，靠协议层格式实现精准交互；
2. 数据包是基础单位，由 SOP、SYNC、内容、EOP 组成，位构成域、域构成包；
3. PID 共 8 位，前 4 位标识类型与方向，后 4 位校验，分 4 类 16 种；
4. 令牌包是核心控制包，实现精准通知，数据 / 握手包完成交互闭环；
5. 一次事务含令牌、数据、握手三阶段，是完整的交互单位。

八、结尾

USB 协议层的标准化数据格式，是 USB 稳定通信的核心基石，理清这套格式与层级关系，就能彻底吃透 USB 的通信逻辑。协议层的规则看似繁杂，实则条理清晰、层层递进，吃透这些内容，是解锁 USB 实战开发的关键。感谢各位的阅读，持续关注本系列笔记，深耕 USB 核心知识点，一起夯实嵌入式通信开发的技术功底！