本文從usb協議的物理層講起，對usb建立一個整體的概念再進行逐步細化。

下圖是usb2.0協議的物理層連線，其中包括一根地線、一根電源線（在usb2.0中電源線僅支援到5V 500mA，目前隨著人們需求的日益膨脹，在後續協議中usb線提供的供電能力正在不斷增加）、兩根差分資料線DP、DM（使用差分線的好處是增加抗干擾能力，能夠更快速的序列傳輸資料，這個有概念就可以了，在此不做深入探討）。

USB的資料格式

DP、DM資料線上傳輸的還是程式設計師熟悉的0和1，然後由若干個二進位制資料（不同的域有各自的定義）組在一起叫做‘域’，由若干個‘域’組成‘包’，再由若干個‘包’組成‘事務’，最後若干個‘事務’組成‘傳輸’。USB的資料格式其實比較簡單，只是各種名字比較多，下表梳理了一下各個名詞之間的層次關係：

下圖是一個實際的usb mass-storage讀取資料的抓包分析，下面我們結合此圖與上表逐個分析一個其中的各個名詞：

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（一）域：

域是USB資料最小的單位，由若干位組成（至於是多少位由具體的域決定），域可分為七個型別：

1、同步域（SYNC），八位，值固定為00000001，用於本地時鐘與輸入同步

2、標識域（PID），由四位識別符號+四位識別符號反碼構成，表明包的型別和格式，這是一個很重要的部分，這裡可以計算出，USB的標識碼有16種。

3、地址域（ADDR）：七位地址，代表了裝置在主機上的地址，地址000 0000被命名為零地址，是任何一個裝置第一次連線到主機時，在被主機配置、列舉前的預設地址，由此可以知道為什麼一個USB主機只能接127個裝置的原因。

4、端點域（ENDP），四位，由此可知一個USB裝置有的端點數量最大為16個。

5、幀號域（FRAM），11位，每一個幀都有一個特定的幀號，幀號域最大容量0x800，對於同步傳輸有重要意義（同步傳輸為四種傳輸型別之一，請看下面）。

6、資料域（DATA）：長度為0~1023位元組，在不同的傳輸型別中，資料域的長度各不相同，但必須為整數個位元組的長度

7、校驗域（CRC）：對令牌包和資料包（對於包的分類請看下面）中非PID域進行校驗的一種方法，CRC校驗在通訊中應用很泛，是一種很好的校驗方法，至於具體的校驗方法這裡就不多說，請查閱相關資料，只須注意CRC碼的除法是模2運算，不同於10進制中的除法。 

（二）包：

由域構成的包有四種類型，分別是令牌包、資料包、握手包和特殊包，前面三種是重要的包，不同的包的域結構不同，介紹如下 

1、令牌包：可分為輸入包、輸出包、設定包和幀起始包（注意這裡的輸入包是用於設定輸入命令的，輸出包是用來設定輸出命令的，而不是放據數的）

其中輸入包、輸出包和設定包的格式都是一樣的：

SYNC+PID+ADDR+ENDP+CRC5（五位的校驗碼） 

幀起始包的格式：

SYNC+PID+11位FRAM+CRC5（五位的校驗碼） 

2、資料包：分為DATA0包和DATA1包，當USB傳送資料的時候，當一次傳送的資料長度大於相應端點的容量時，就需要把資料包分為好幾個包，分批發送，DATA0包和DATA1包交替傳送，即如果第一個資料包是DATA0，那第二個資料包就是DATA1。但也有例外情況，在同步傳輸中（四類傳輸型別中之一），所有的資料包都是為DATA0，格式如下：

SYNC+PID+0~1023位元組+CRC16 

3、握手包：結構最為簡單的包，格式如下

SYNC+PID 

（註上面每種包都有不同型別的，USB1.1共定義了十種包） 

（三）事務：

事務分別有IN事務、OUT事務和SETUP事務三大事務，每一種事務都由令牌包、資料包、握手包三個階段構成，這裡用階段的意思是因為這些包的傳送是有一定的時間先後順序的，事務的三個階段如下：

1、令牌包階段：啟動一個輸入、輸出或設定的事務

2、資料包階段：按輸入、輸出傳送相應的資料

3、握手包階段：返回資料接收情況，在同步傳輸的IN和OUT事務中沒有這個階段，這是比較特殊的。

事務的三種類型如下（以下按三個階段來說明一個事務）：

1、 IN事務：

令牌包階段——主機發送一個PID為IN的輸入包給裝置，通知裝置要往主機發送資料；

資料包階段——裝置根據情況會作出三種反應（要注意：資料包階段也不總是傳送資料的，根據傳輸情況還會提前進入握手包階段）

1） 裝置端點正常，裝置往入主機裡面發出資料包（DATA0與DATA1交替）；

2） 裝置正在忙，無法往主機發出資料包就傳送NAK無效包，IN事務提前結束，到了下一個IN事務才繼續；

3） 相應裝置端點被禁止，傳送錯誤包STALL包，事務也就提前結束了，匯流排進入空閒狀態。

握手包階段——主機正確接收到資料之後就會向裝置傳送ACK包。 

2、 OUT事務：

令牌包階段——主機發送一個PID為OUT的輸出包給裝置，通知裝置要接收資料；

資料包階段——比較簡單，就是主機會裝置送資料，DATA0與DATA1交替

握手包階段——裝置根據情況會作出三種反應

1）裝置端點接收正確，裝置往入主機返回ACK，通知主機可以傳送新的資料，如果資料包發生了CRC校驗錯誤，將不返回任何握手資訊；

2） 裝置正在忙，無法接收主機發出資料包就傳送NAK無效包，通知主機再次傳送資料；

3） 相應裝置端點被禁止，傳送錯誤包STALL包，事務提前結束，匯流排直接進入空閒狀態。 

3、SETUT事務：

令牌包階段——主機發送一個PID為SETUP的輸出包給裝置，通知裝置要接收資料；

資料包階段——比較簡單，就是主機會裝置送資料，注意，這裡只有一個固定為8個位元組的DATA0包，這8個位元組的內容就是標準的USB裝置請求命令（共有11條，具體請看問題七）

握手包階段——裝置接收到主機的命令資訊後，返回ACK，此後匯流排進入空閒狀態，並準備下一個傳輸（在SETUP事務後通常是一個IN或OUT事務構成的傳輸） 

（四）傳輸：

傳輸由OUT、IN、SETUP事務其中的事務構成，傳輸有四種類型，中斷傳輸、批量傳輸、同步傳輸、控制傳輸，其中中斷傳輸和批量轉輸的結構一樣，同步傳輸有最簡單的結構，而控制傳輸是最重要的也是最複雜的傳輸。

1、中斷傳輸：由OUT事務和IN事務構成，用於鍵盤、滑鼠等HID裝置的資料傳輸中

2、批量傳輸：由OUT事務和IN事務構成，用於大容量資料傳輸，沒有固定的傳輸速率，也不佔用頻寬，當匯流排忙時，USB會優先進行其他型別的資料傳輸，而暫時停止批量轉輸。

3、同步傳輸：由OUT事務和IN事務構成，有兩個特殊地方，第一，在同步傳輸的IN和OUT事務中是沒有返回包階段的；第二，在資料包階段所有的資料包都為DATA0

4、控制傳輸：最重要的也是最複雜的傳輸，控制傳輸由三個階段構成（初始設定階段、可選資料階段、狀態資訊步驟），每一個階段可以看成一個的傳輸，也就是說控制傳輸其實是由三個傳輸構成的，用來於USB裝置初次加接到主機之後，主機通過控制傳輸來交換資訊，裝置地址和讀取裝置的描述符，使得主機識別裝置，並安裝相應的驅動程式，這是每一個USB開發者都要關心的問題。

1、初始設定步驟：就是一個由SET事務構成的傳輸

2、可選資料步驟：就是一個由IN或OUT事務構成的傳輸，這個步驟是可選的，要看初始設定步驟有沒有要求讀/寫資料（由SET事務的資料包階段傳送的標準請求命令決定）

3、狀態資訊步驟：顧名思義，這個步驟就是要獲取狀態資訊，由IN或OUT事務構成構成的傳輸，但是要注意這裡的IN和OUT事務和之前的INT和OUT事務有兩點不同：

1）傳輸方向相反，通常IN表示裝置往主機送資料，OUT表示主機往裝置送資料；在這裡，IN表示主機往裝置送資料，而OUT表示裝置往主機送資料，這是為了和可選資料步驟相結合；

2） 在這個步驟裡，資料包階段的資料包都是0長度的，即SYNC+PID+CRC16

除了以上兩點有區別外，其他的一樣