導(dǎo)言

上一節(jié)我們詳細討論了USB的比特級編解碼，本章將以此為基礎(chǔ)，進一步介紹USB字段及包的格式。USB包的構(gòu)成是一個逐層的過程，信息首先以二進制串行數(shù)據(jù)的形式存在。這些串行數(shù)據(jù)按照特定規(guī)則被組織成字段（filed），字段（filed）是包（packet）的基本單元。多個字段（filed）按照一定的順序組成一個包（packed），進一步地，多個包（packed）可以組成一個事務(wù)（transaction），事務(wù)（transaction）是USB通信中更大粒度的數(shù)據(jù)傳輸單元。最終，多個事務(wù)（transaction）組成一個傳輸（transfer），代表了一個完整的數(shù)據(jù)傳輸過程。本文主要講解Packet，下一章將會探討USB事務(wù)（transaction）的傳輸過程。

1字段（filed）


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所有包都有包開始（SOP）和結(jié)束（EOP）界定符。包（packet）與開始界定符（SOP）的分隔符是 SYNC 字段。輸入電路使用SYNC來將輸入數(shù)據(jù)與本地時鐘對齊，SYNC 字段中的最后兩位是一個標記，用于識別 SYNC 字段的結(jié)束，并通過推斷識別 PID 的開始。字段（filed）是包（packet）的基本單元，每種包（packet）都有對應(yīng)的字段。

包標識符字段（PID）

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• 每個USB包的SYNC字段后緊跟一個PID

• PID由一個四位包類型字段和一個四位校驗字段組成

• PID指示包的類型，暗示了包的格式和應(yīng)用的錯誤檢測類型

• 四位校驗字段確保PID的可靠解碼，以確保正確解釋包

• PID的四位校驗字段是通過對包類型字段進行補碼生成的

• 如果四個PID校驗位與它們各自的包識別符位不是補碼關(guān)系，則發(fā)生PID錯誤

• 主機和所有功能必須對所有接收到的PID字段進行完整解碼

• 如果接收到的PID的校驗字段失敗，或者解碼為非定義的值，則假定其已損壞

• 包接收器將忽略整個包，包括損壞的PID

• 如果功能收到了一個它不支持的事務(wù)類型或方向的有效PID，則該功能不得回應(yīng)，例如，僅支持輸入的端點應(yīng)忽略輸出令牌

• PID分為四個編碼組：令牌、數(shù)據(jù)、握手和特殊

• 傳輸?shù)那皟晌籔ID位（PID<0:1>）指示編碼組

地址字段

地址字段有兩部分組成：功能地址字段（ADDR）和端點字段（EP）。

如果包的地址字段與設(shè)備端點不匹配則必須忽略這個包。

「功能地址字段（ADDR Field）」

• ADDR字段通過其地址指定功能，根據(jù)令牌PID的值，功能可能是包的源或目的。

• ADDR<6:0>指定了128個地址

• ADDR字段用于IN、SETUP和OUT令牌以及PING和SPLIT特殊令牌

• 每一個單獨的功能(function)都會有一個ADDR值，這意味著可能會有多個端點（Endpoint）共享一個ADDR

• 復(fù)位和上電時，ADDR默認為零，必須在枚舉過程中由主機進行分配

• ADDR 0被保留作為默認地址，不能分配給其他用途

「端點字段（Endpoint Field）」

• 附加的4位端點字段（ENDP）允許在多端點（Endpoint）的功能（Function）中更靈活地進行尋址

• 除了端點地址0外，其他端點地址是根據(jù)功能（Function）的端點來定義的

• 端點字段定義了用于IN、SETUP和OUT令牌以及PING特殊令牌

• 所有功能必須支持端點地址為零的默認控制管道（Default Control Pipe）

• 低速設(shè)備每個功能最多支持3個端點：端點編號為零的控制管道以及另外兩個端點

  額外的兩個端點可以作為：

  1.兩個控制管道

  2.一個控制管道和一個中斷端點

  3.兩個中斷管道

• 全速和高速功能可以支持最多16個IN和OUT端點（16組端點）

幀號字段（Frame Number Field）

• USB幀的概念是用于組織和標記數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r間間隔，幀號就是用來標識這些幀的序號，一個幀內(nèi)可以包含一個或多個包

• 在USB幀的包中，幀號字段位于幀的頭部。幀的頭部包含同步（SYNC）和定界符（SOP）以及其他必要的信息，幀號字段在這個頭部中用于指示當前幀的序號

• USB 2.0規(guī)范中，幀號字段是11位長。這意味著，幀號的范圍在0到2047之間，當達到2047后會重新從0開始

• 每當USB總線上的一個新幀開始時，幀號字段會遞增

• 幀號字段的主要用途是為USB系統(tǒng)提供一個時間基準，確保設(shè)備和主機能夠按照同一時間軸進行數(shù)據(jù)傳輸。幀號也用于幫助處理時間敏感的USB應(yīng)用，如音頻和視頻傳輸

數(shù)據(jù)字段（Data?Field）

• 數(shù)據(jù)字段的范圍可以從 0 到 1024 字節(jié)

• 數(shù)據(jù)字段通常位于USB數(shù)據(jù)包的中間部分，緊隨在幀的同步和定界部分以及可能的地址、端點和其他控制信息之后。具體的數(shù)據(jù)字段位置和長度取決于USB傳輸?shù)念愋秃蛶Y(jié)構(gòu)

• 數(shù)據(jù)字段承載了需要在USB設(shè)備之間傳輸?shù)膶嶋H數(shù)據(jù)。這可以是應(yīng)用程序數(shù)據(jù)、控制命令、中斷數(shù)據(jù)等，取決于USB傳輸?shù)念愋?。例如，在批量傳輸中，?shù)據(jù)字段可能攜帶文件的內(nèi)容；在控制傳輸中，數(shù)據(jù)字段可能包含控制請求和應(yīng)答等

• 數(shù)據(jù)字段之后通常會包含錯誤檢測和結(jié)束標記。錯誤檢測用于驗證數(shù)據(jù)的完整性，而結(jié)束標記則指示數(shù)據(jù)字段的結(jié)束，幫助接收端正確解析傳輸

CRC字段（CRC?Field）

和以太網(wǎng)類似，USB包在末尾也會有校驗字段CRC，其CRC的校驗不包括PID字段，主要校驗PID之后的地址、幀號、數(shù)據(jù)等字段。USB包的CRC有兩種分別應(yīng)用于兩種不同的場合：

「令牌CRC（Token?CRC）」

• G(X) = X5 + X2 + 1

• 令牌CRC字段用于校驗IN、SETUP和OUT令牌的ADDR和ENDP字段，或SOF令牌的時間戳字段。同時，PING和SPLIT特殊令牌也包括一個五位CRC字段

• 如果所有令牌位在接收端無錯誤地接收，CRC字段的5位余數(shù)將為01100B。這表示CRC校驗成功，沒有檢測到錯誤

「數(shù)據(jù)CRC（Data?CRC）」

• G(X) = X16 + X15 + X2 + 1

• 數(shù)據(jù)CRC字段用于校驗帶有Data字段的數(shù)據(jù)包（Data Packet）

• 如果所有數(shù)據(jù)和CRC位都正確接收，則16位余數(shù)將為1000000000001101B

2包（Packet）


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USB（Universal Serial Bus）的數(shù)據(jù)傳輸基本單位是數(shù)據(jù)包（Packet）。USB數(shù)據(jù)包根據(jù)不同的令牌類型和傳輸階段，有不同的格式和含義。常見的令牌類型包括IN、OUT、SETUP、SOF（Start of Frame）等。整個USB通信過程由一系列數(shù)據(jù)包組成，這些數(shù)據(jù)包通過同步和特定字段的解析，實現(xiàn)設(shè)備之間的可靠數(shù)據(jù)傳輸。

令牌包（Token Packets）

• 令牌包由PID（IN、OUT、SETUP類型）、ADDR和ENDP字段組成。PING特殊令牌包也包含相同的字段。令牌的PID指定了數(shù)據(jù)包類型和相關(guān)的地址、端點信息

• 令牌類型分為IN、OUT、SETUP和PING。IN令牌表示從設(shè)備到主機的數(shù)據(jù)傳輸，OUT和SETUP令牌表示從主機到設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸，PING令牌表示握手傳輸。令牌中的地址和端點字段用于唯一標識相關(guān)的設(shè)備端點

• 令牌包包含一個五位CRC校驗，用于覆蓋地址和端點字段。這有助于接收方驗證令牌包的完整性。不過，CRC不覆蓋PID，PID有自己的校驗字段。

• 令牌和SOF（Start of Frame）包在三個字節(jié)的數(shù)據(jù)字段后由EOP標志作為結(jié)束。如果一個包在三個字節(jié)后未以EOP結(jié)束，即使它解碼為有效的令牌或SOF，也必須被視為無效并被接收方忽略。

• 令牌包應(yīng)用

  設(shè)備初始化：當USB設(shè)備插入計算機的端口時，主機會向設(shè)備發(fā)送OUT令牌包，指定設(shè)備的地址和初始化信息。設(shè)備收到令牌包后，可能會進行初始化過程。

  數(shù)據(jù)讀?。喝绻鳈C需要從USB設(shè)備讀取數(shù)據(jù)，它會發(fā)送IN令牌包，指定設(shè)備地址和相關(guān)的端點。設(shè)備在收到令牌后，將準備好的數(shù)據(jù)放入數(shù)據(jù)包中發(fā)送給主機。

  數(shù)據(jù)寫入：當主機需要向USB設(shè)備寫入數(shù)據(jù)時，它會發(fā)送OUT令牌包，指定設(shè)備地址和相關(guān)的端點。設(shè)備在接收到令牌后，等待主機發(fā)送數(shù)據(jù)包，并進行數(shù)據(jù)的寫入操作。

  設(shè)備控制：主機通過發(fā)送SETUP令牌包向USB設(shè)備發(fā)送控制信息，例如設(shè)備的配置、狀態(tài)查詢等。設(shè)備收到SETUP令牌后，執(zhí)行相應(yīng)的控制命令。

  握手協(xié)議：使用PING令牌包進行握手協(xié)議。主機發(fā)送PING令牌，指定設(shè)備地址和端點，設(shè)備收到PING后，可以回復(fù)握手信號，表示是否準備好繼續(xù)通信

幀起始包（Start-of-Frame?Packets（SOF））

• SOF包由主機定期發(fā)出，全速總線為每1.00毫秒±0.0005毫秒一次，高速總線為125微秒±0.0625微秒一次。它包含一個指示數(shù)據(jù)包類型的PID，后跟一個11位的幀編號字段。

• SOF令牌是一個令牌-only事務(wù)（僅由令牌階段組成的事務(wù)），以精確定時的間隔分發(fā)SOF標記和相應(yīng)的幀編號，對應(yīng)于每個幀的開始。所有高速和全速功能（包括集線器）都接收SOF包。SOF令牌不會導(dǎo)致任何接收函數(shù)生成返回數(shù)據(jù)包，因此無法保證SOF包傳遞到任何給定的功能。

• SOF令牌主要用于在總線上定期分發(fā)幀號，幫助USB設(shè)備同步其操作。SOF事務(wù)中的令牌僅包含PID（Packet Identifier）和幀編號字段，沒有數(shù)據(jù)傳輸或握手。

• 幀和微幀

  全速（Full-Speed）幀時間：

  ??? USB定義了每1毫秒一個周期的全速幀時間

  ????通過每1ms發(fā)出一次的SOF令牌來指示全速幀的開始

  高速（High-Speed）微幀：

  ??? USB還定義了高速微幀，其幀時間為125微秒

  ????與全速類似，SOF令牌用于指示每125μs一個周期的高速微幀的開始

  SOF令牌生成：

  ??? SOF令牌由主機控制器或集線器事務(wù)轉(zhuǎn)換器（hub transaction translator）生成

  ????在全速鏈路上，每1毫秒生成一次SOF令牌

  ????在高速鏈路上，每過七個125μs周期后生成一次SOF令牌

  高速設(shè)備對SOF的處理：

  ????高速設(shè)備在每1ms周期內(nèi)看到具有相同幀號的SOF令牌共八次（每125μs一次）

  ????高速設(shè)備可以通過檢測具有與之前的 SOF 不同的幀編號的 SOF 并將其視為第0個微幀來本地確定特定的微幀“編號”。接下來的 7 個具有相同幀號的 SOF 可被視為微幀 1 至 7。

  

• SOF應(yīng)用：

  幀同步：SOF令牌每隔一定的時間周期性地發(fā)出，用于同步所有連接到USB總線的設(shè)備。USB設(shè)備根據(jù)SOF令牌的到達來確定當前幀的開始。這對于協(xié)調(diào)和同步USB總線上的各個設(shè)備的操作至關(guān)重要。

  時間基準：SOF令牌中包含一個幀編號字段，用于標識當前幀。USB設(shè)備可以利用幀編號來測量時間，實現(xiàn)時間同步或執(zhí)行與時間相關(guān)的操作。這對于需要準確時間基準的應(yīng)用非常重要。

  輪詢設(shè)備：主機通過SOF令牌可以定期輪詢連接的USB設(shè)備。設(shè)備可以在SOF令牌的基礎(chǔ)上執(zhí)行特定的操作，例如響應(yīng)主機的查詢或報告設(shè)備的狀態(tài)。

  管理USB總線帶寬：SOF令牌的周期性發(fā)送確保了USB總線的帶寬分配。USB設(shè)備可以根據(jù)SOF令牌的到達來進行數(shù)據(jù)傳輸或執(zhí)行其他操作，以確?？偩€上的有效利用。

數(shù)據(jù)包（Data?Packets）

• 數(shù)據(jù)包由PID、包含零個或多個字節(jié)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)字段以及CRC組成

• 有四種不同PID標識的數(shù)據(jù)包類型，分別是DATA0、DATA1、DATA2和MDATA

• DATA0和DATA1兩種數(shù)據(jù)包PID用于支持數(shù)據(jù)切換同步（Data Toggle Synchronization）

• 所有四種數(shù)據(jù)PID在高帶寬高速等時鐘同步端點（USB 支持單獨的高速中斷或同步端點，這些端點需要高達 192 Mb/s 的數(shù)據(jù)速率）的數(shù)據(jù)PID排序中使用

  

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• 三種數(shù)據(jù)PID（MDATA、DATA0、DATA1）用于分割事務(wù)（Split Transactions）

• 數(shù)據(jù)必須始終以整數(shù)字節(jié)數(shù)發(fā)送

• 數(shù)據(jù)CRC僅計算在數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)字段上，不包括PID，而PID有自己的檢查字段

• 低速設(shè)備允許的最大數(shù)據(jù)負載大小為8字節(jié)，全速設(shè)備允許的最大數(shù)據(jù)負載大小為1023字節(jié)，高速設(shè)備允許的最大數(shù)據(jù)負載大小為1024字節(jié)

SPLIT包（分割事務(wù)包）

在 USB 中，分割事務(wù)（Split Transaction）是一種特殊的通信機制，允許高速 USB 主機與全速/低速 USB 設(shè)備進行通信。這個過程涉及兩個令牌：開始分割事務(wù)令牌（Start-Split Transaction Token）和完成分割事務(wù)令牌（Complete-Split Transaction Token）。這種機制使得高速主機能夠與全速或低速設(shè)備進行通信，同時維持 USB 總線的高速性能。分割事務(wù)的應(yīng)用場景通常涉及帶有分層結(jié)構(gòu)的 USB 架構(gòu)，例如 USB hub 將高速總線轉(zhuǎn)換為全速或低速總線。

「開始分割事務(wù)令牌（Start-Split Transaction Token）」

Hub addr 字段：包含支持此全/低速事務(wù)的指定全/低速設(shè)備的集線器的 USB 設(shè)備地址（與功能地址字段涵義相同（ADD））

SC字段（開始/完成）：設(shè)置為零的 SPLIT 特殊令牌包指示這是一個開始分割事務(wù)（SSPLIT）。

Port字段：包含此全速/低速事務(wù)指定的目標集線器的端口號。

S字段（速度）：指定此中斷或控制事務(wù)的速度 ，?0 – 全速 ?1 – 低速

E字段（結(jié)束）：對于全速等時 OUT 起始分割，S1（起始）和 E（結(jié)束）字段指定高速數(shù)據(jù)有效負載如何對應(yīng)全速數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)

以下開始分割情況S字段必須設(shè)置為零：

批量(bulk)事務(wù) IN/OUT?

等時( isochronous )事務(wù) IN 開始分割

以下開始分割情況E字段必須設(shè)置為零:

批量(bulk)/控制（control）事務(wù) IN/OUT

中斷(interrupt)?IN/OUT?

等時( isochronous )事務(wù) IN?

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ET（Endpoint Type）字段：指定全速/低速事務(wù)的端點類型

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當高速主機需要與全速或低速設(shè)備進行通信時，它發(fā)送開始分割事務(wù)令牌

• 開始分割事務(wù)令牌的發(fā)送表明主機希望與設(shè)備進行通信。

• 主機等待一段時間，以便設(shè)備準備好接收通信。

• 如果設(shè)備可以接收，它返回 NYET（Not Yet）握手，表示尚未完成分割事務(wù)。

• 在收到 NYET 握手后，主機知道設(shè)備已準備好接收數(shù)據(jù)。

「完成分割事務(wù)令牌（Complete-Split Transaction Token）」

SC 字段：設(shè)置為 1 ，指示這是一個完全分割事務(wù) (CSPLIT)

U 字段（保留/未使用）：必須置為零 (0B)

完全分割令牌包的其他字段與開始分割令牌包具有相同的定義

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完成分割事務(wù)令牌用于結(jié)束分割事務(wù)，確認數(shù)據(jù)已經(jīng)成功傳輸給全速/低速設(shè)備。

• 主機發(fā)送數(shù)據(jù)給設(shè)備，使用全速或低速速率。

• 完成分割事務(wù)令牌用于通知 hub 或主機，數(shù)據(jù)已經(jīng)傳輸完成。

• 如果數(shù)據(jù)傳輸成功，hub 或主機將返回 ACK 握手。

• 如果出現(xiàn)錯誤，可能返回 NAK 或 STALL 握手。

握手包（Handshake?Packets）

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• 握手包僅由一個PID組成

• 握手包用于報告數(shù)據(jù)事務(wù)的狀態(tài)，可以返回指示成功接收數(shù)據(jù)、命令接受或拒絕、流量控制和停止條件的值

• 僅支持流量控制的事務(wù)類型可以返回握手

• 握手始終在事務(wù)的握手階段返回，可以在數(shù)據(jù)階段返回握手而不是返回數(shù)據(jù)

• 握手包在一個字節(jié)的數(shù)據(jù)字段后由EOP定界如果一個數(shù)據(jù)包在解碼為握手包的情況下，在一個字節(jié)后沒有以EOP結(jié)束，它必須被視為無效并被接收器忽略

握手包有四種類型以及一種特殊的握手包：

「ACK（確認）」

• ACK表示數(shù)據(jù)包在數(shù)據(jù)字段上沒有發(fā)生比特填充或CRC錯誤，且數(shù)據(jù)PID正確接收。

• ACK可以在序列比特匹配且接收器可以接受數(shù)據(jù)時發(fā)出，也可以在序列比特不匹配且發(fā)送方和接收方必須重新同步時發(fā)出。

• ACK僅適用于已傳輸數(shù)據(jù)且期望握手的事務(wù)。

• HOST可以為IN事務(wù)返回ACK，而功能（Function）可以為OUT、SETUP或PING事務(wù)返回ACK。

場景：假設(shè)主機向 USB 設(shè)備的 OUT 端點發(fā)送數(shù)據(jù)，設(shè)備成功接收并處理數(shù)據(jù)。

示例：數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束后，設(shè)備可以返回 ACK 作為響應(yīng)。主機接收到 ACK 后，知道數(shù)據(jù)已被成功接收，可以繼續(xù)下一步的通信。

「NAK（否定）」

• NAK表示功能（Function）無法從主機接受數(shù)據(jù)（OUT）或功能沒有要傳輸給主機的數(shù)據(jù)（IN）。

• NAK只能由功能（Function）在IN事務(wù)的數(shù)據(jù)階段或OUT或PING事務(wù)的握手階段返回。

• 主機永遠不會發(fā)出NAK。

• 用于流量控制，表示功能暫時無法傳輸或接收數(shù)據(jù)，但最終將能夠在無需主機干預(yù)的情況下執(zhí)行。

場景：假設(shè)一個 USB 設(shè)備在接收數(shù)據(jù)的過程中發(fā)現(xiàn)臨時無法處理，可能是因為其緩沖區(qū)已滿。

示例：在一個 OUT 事務(wù)中，當設(shè)備無法接受更多的數(shù)據(jù)時，它可以返回 NAK。主機收到 NAK 后，可能會嘗試重新發(fā)送數(shù)據(jù)，直到設(shè)備準備好接收。

「STALL（停止）」

• STALL由功能響應(yīng)IN令牌或OUT數(shù)據(jù)階段后，或響應(yīng)PING事務(wù)后返回。

• STALL表示功能無法傳輸或接收數(shù)據(jù)，或不支持控制管道請求。

• 在返回STALL后，除了默認端點之外的任何端點的功能狀態(tài)未定義。

• STALL分為兩種情況：功能性STALL和協(xié)議性STALL。功能性STALL在端點的Halt功能被設(shè)置時發(fā)生，而協(xié)議性STALL是控制管道的特例。

場景：設(shè)備檢測到數(shù)據(jù)出現(xiàn)錯誤或設(shè)備無法接受主機的請求，需要中止當前的數(shù)據(jù)傳輸。

示例：在一個控制事務(wù)中，主機向設(shè)備發(fā)送了一個請求，但設(shè)備當前無法響應(yīng)，可以返回 STALL。這可能是因為設(shè)備不支持該請求，或者由于某種原因?qū)е聼o法繼續(xù)。主機接收到 STALL 后，可能采取相應(yīng)的措施，例如中止或重新嘗試傳輸。

「NYET（Not yet）」

• NYET是僅適用于高速的握手，在PING協(xié)議的一部分或在分割事務(wù)未完成或集線器無法處理分割事務(wù)時返回。

• 在PING協(xié)議中，當主機發(fā)出PING事務(wù)并等待高速設(shè)備的響應(yīng)時，設(shè)備可以返回NYET，NYET表示設(shè)備目前不能接受數(shù)據(jù)，但可能會在未來的某個時候能夠。

• 在分割事務(wù)中，如果目標端點尚未準備好接收數(shù)據(jù)，集線器可以返回NYET，表示當前不能接受數(shù)據(jù)。

• NYET信號可以用于流量控制，告知主機在目標端點準備好之前，暫時不要發(fā)送更多的數(shù)據(jù)。

場景：假設(shè)一個高速 USB 設(shè)備正在執(zhí)行分割事務(wù)，其中包含一個低速或全速的子事務(wù)，而目標設(shè)備還沒有完成數(shù)據(jù)傳輸。

示例：分割事務(wù)的低速或全速子事務(wù)尚未完成時，集線器可以返回 NYET。主機可以根據(jù) NYET 信號來決定是否等待，以便在目標設(shè)備準備好接收數(shù)據(jù)時繼續(xù)傳輸。

「ERR（錯誤）」

• ERR是僅適用于高速的握手，允許高速集線器報告在全速/低速總線上的錯誤。

• 僅由高速集線器作為分割事務(wù)協(xié)議的一部分返回。

場景：假設(shè)一個高速 USB 集線器在執(zhí)行分割事務(wù)時發(fā)生了錯誤，導(dǎo)致無法完成全速或低速事務(wù)。

示例：集線器可能返回 ERR，通知主機發(fā)生了錯誤。主機在接收 ERR 后，可能會采取適當?shù)拇胧?，如嘗試重新發(fā)送數(shù)據(jù)或采取其他糾正措施。

3往期回顧


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?USB系列文章在合集 #USB2.0?

（1）深入理解USB2.0通信協(xié)議——框架概述

（2）深入理解USB2.0通信協(xié)議——數(shù)據(jù)流傳輸模型

（3）深入理解USB2.0通信協(xié)議——電氣及物理層規(guī)范

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4寫在最后


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