USB数据链路层详解

# 第一章：USB简介

USB（Universal Serial Bus）是一种用于连接计算机与外部设备的通用接口标准，它可以用于连接电脑、外部存储设备、打印机、键盘、鼠标等各种外部设备。USB接口具有热插拔、即插即用、高带宽等特点，在现代计算机系统中得到了广泛的应用。

## 1.1 USB的发展历史

USB接口最早由英特尔、微软、康柏、IBM等公司共同推出，其目的是为了解决传统PC连接各种外部设备时所面临的问题，如接口繁多、难以管理、速度慢等。1996年推出的USB 1.0标准迅速得到了广泛应用，并在后续不断进行了改进与升级。

## 1.2 USB的工作原理

USB接口采用主从结构，在连接时总线由主机控制，从设备被动响应。当主机需要访问设备时，会主动向设备发送请求，设备收到请求后进行相应的处理并返回结果。USB接口采用了多级拓扑结构，可同时连接多个外设，实现了设备之间的灵活通讯。

## 1.3 USB的规范与版本

USB标准由USB Implementers Forum（USB-IF）制定和管理，目前已经发布了 USB 1.0、USB 2.0、USB 3.0、USB 3.1、USB 3.2 等多个版本。每个新版本的发布都会在速度、功耗、接口形状等方面进行改进，以适应不断发展的外部设备需求和技术发展。

## 第二章：USB数据链路层概述

USB（Universal Serial Bus）是一种用于连接计算机和外部设备的通用串行总线，具有高速、简便的特点。USB数据链路层是USB通信协议中的一个重要部分，负责处理数据的传输和错误处理。在本章中，我们将详细介绍USB数据链路层的概况及其作用。

### 2.1 数据链路层的作用

USB数据链路层主要负责处理数据包的传输、传输错误的检测与处理，以及对数据进行分组和重组。它在物理层之上，屏蔽了具体硬件的细节，为网络层提供可靠的数据传输服务。

### 2.2 USB数据传输的基本流程

USB数据传输的基本流程包括数据包的发送和接收两个过程。发送端先将数据进行分组并添加相应的校验码，然后通过传输层将数据发送到接收端，接收端收到数据后进行校验并提取数据内容。USB数据链路层起着承上启下的关键作用。

### 2.3 数据链路层的组成部分

USB数据链路层包括数据包的组成结构、错误检测与纠正机制、重传机制等组成部分。其中，数据包的组成结构包括SYNC字段、PID字段、ADDR字段以及数据与校验字段，这些字段的设计与处理对数据传输的效率和准确性影响深远。

在接下来的章节中，我们将详细介绍USB数据链路层的各项内容，包括数据传输方式、数据帧结构、错误处理等，让读者对USB数据链路层有一个更加深入的了解。

### 3. 第三章：USB数据传输方式

USB的数据传输方式主要有四种：控制传输、批量传输、中断传输和等待传输。每种传输方式都有其特定的应用场景和特点，下面将对这四种传输方式进行详细介绍。

#### 3.1 控制传输

控制传输是USB中最基本、最灵活的一种传输方式，用于设备的配置、命令和状态信息传输。控制传输分为标准请求和类请求两种类型，常用于设备的初始化、固件升级、设备识别和管理等场景。

# 示例代码：Python中使用pyusb库进行控制传输
import usb.core

dev = usb.core.find(idVendor=0x1234, idProduct=0x5678)
if dev is None:
    raise ValueError('Device not found')

# 发送标准请求
dev.ctrl_transfer(bmRequestType=0x40, bRequest=0x6, wValue=0x100, wIndex=0, data_or_wLength=8)

# 发送类请求
dev.ctrl_transfer(bmRequestType=0x21, bRequest=0x9, wValue=0x200, wIndex=0, data_or_wLength=8)

#### 3.2 批量传输

批量传输适用于大容量数据的传输，其特点是传输速率低但稳定，适用于需要大量数据传输且对传输速度要求不高的场景，如打印机、扫描仪等外设。

// 示例代码：Java中使用javax.usb库进行批量传输
import javax.usb.*;

UsbDevice device; // 通过UsbDeviceDiscovery等方式获取设备对象

UsbInterface iface = device.getUsbConfiguration((byte) 1).getUsbInterface((byte) 0);
iface.claim(usbInterface -> {
    UsbEndpoint inEndpoint = iface.getUsbEndpoint((byte) 0x81);
    UsbPipe pipe = inEndpoint.getUsbPipe();
    pipe.open();

    byte[] data = new byte[64];  // 64字节数据
    int received = pipe.syncSubmit(data);  // 同步提交批量传输

    pipe.close();
});