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USB（通用串行总线）经过几十年发展，已经成为一种在个人电脑领域大量使用的标准。记忆棒、移动硬盘、鼠标和网络摄像头都通过USB连接。本文将深入分析USB音频：一种用来将PC、智能手机和平板电脑中所使用的电子音频与扬声器、麦克风或调音台等音频外设连接在一起的标准。本文将描述USB音频的工作原理，需要注意什么事项，以及对于高保真多通道输入输出，应如何使用USB音频等。
USB基本原理
USB是一种由PC（USB主机）发起一次传输，设备（例如一套USB扬声器）继而响应的通信协议。每次传输都寻址到一个特定设备，并寻址到该设备的一个特定端点。IN传输将数据发送至PC。当主机发起一次IN传输时，设备必须用主机所需的数据做出响应。OUT传输将数据传输至设备。当主机执行一次OUT传输时，它发送设备必须捕获的数据包。在USB音频领域，IN传输和OUT传输可以用于传输音频样本：一个OUT传输将音频数据从PC发送至扬声器，而IN传输用于将音频数据从麦克风发送至PC。
作者：XMOS首席技术专家Henk Muller |
USB规范中有4种类型的IN传输和OUT传输：批量传输、同步传输、中断传输和控制传输。
批量传输用于在主机和设备之间可靠地传输数据。所有USB传输都带有CRC（校验和），它表明是否有错误发生。在一次批量传输中，数据的接收端必须验证CRC。如果CRC正确，传输被应答，数据被假定已经传输无误。如果CRC不正确，传输不会被应答，然后将会重试。如果设备未准备好接收数据，它将传送一个否定应答（NAK）信号，该信号将会使主机重试传输。批量传输不被认为对时间要求严格，因此将会安排在以下将要讨论的、对时间要求严格的各种传输的周边时间。
同步传输用于在主机和设备之间实时传输数据。若主机建立了同步端点，主机会为同步端点分配一定数量的带宽，并且它将在该端点上规律地执行IN传输或OUT传输。例如，主机可以每125μs对该设备OUT 1KB数据。由于分配了固定的、有限数量的带宽，如果出现了任何异常，都将没有时间重发数据。数据具有正常的CRC，但是如果接收端检测到错误，将没有重发机制。
中断传输被主机用于定期探询设备，以发现是否有值得做的事情发生。例如，主机可以探询音频设备，核对静音（MUTE）按钮是否已被按下。“中断”传输这个名称有一点混淆视听，因为其并不中断任何事情。然而，数据的定期探询给出了主机中断将会提供的相同类型的功能。
控制传输与批量传输非常相似。控制传输会被应答（即可以被NAK），并且以非实时方式传送。控制传输用于正常数据流以外的操作，例如询问设备功能或端点状态。设备功能描述的说明在本文范畴之外，本文仅陈述诸如“USB音频类”或“USB大容量存储类”等预定义的类型，它们能够实现跨平台的互操作性。
USB帧中制定了所有的传输类型。高速USB帧的长度为125μs（Full Speed USB帧为1ms），并由主机发送帧起始（SOF）消息进行标记。同步传输和中断传输每帧至多发送一次。
USB音频
USB音频使用了同步传输、中断传输和控制传输。所有音频数据通过同步传输来传输；中断传输用于转发关于音频时钟可用性的信息；控制传输用于设置音量、请求采样率等（参见图1）。
图1：主机和USB设备之间的传输——同步IN和OUT用于音频数据，控制用于设置参数，中断用于状态监视。
USB音频系统的数据需求取决于通道数、代表每个样本的位数，以及采样率。典型的通道数为2（立体声）、6（5.1声道）或者更高（用于录音室或DJ应用）。尽管传统音频可用16位，典型的采样率为24位，而高质量音频为32位。典型的采样率为44.1、48、96及192kHz，后者为高质量音频所使用。
这里假设去设计一个具有96kHz采样率和24位样本的立体声音频扬声器系统，为了简化主机和设备上的数据编组，24位值一般用一个零字节填充，因此，总数据吞吐速率为96,000×2通道×4B=768,000Bps。同步端点以每125μs进行一次传输（或8000次传输/s）的速率工作。用所需的字节速率除以帧速率，可以得到每次同步传输的字节数：768,000/8,000=每次传输96B。
假若使用例如44,000Hz 的CD唱片速率，传输速率经计算为44.1次传输/s。在USB音频中，每次传输总是运送整数个样本；传输在48B和40B（6个和5个立体声样本）之间交替进行，以至于平均速率算出为每次传输44.1B。
单次同步传输可运送1024B，最多能够运送256个样本（在24/32位时）。这意味着，单个同步端点在48kHz时能传输42个通道，或者在192kHz时能传输10个通道——假定使用的是高速USB（High Speed USB）——全速USB（Full Speed USB）在48kHz时无法运送多于一个立体声IN和OUT对。
当发送数字音频时，将会有延迟引入。在高速USB的情况下，延迟为250μs。数据包在每个125μs窗口中传输一次，但是考虑到它可能会在该窗口中的任何时候发送，需要有一个250μs的缓冲器。在该250μs延迟的顶端，操作系统（O/S）驱动程序和编解码器（CODEC）中可能引起额外延迟。注意：全速USB的固有延迟远远更高（为2ms），因为数据在每个1ms窗口中仅发送一次。 |
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