USB學習系列之四——USB包結構

2.不同的包所包含的域是不同的，但是都有共同的特點是：以同步域開始，緊跟著一個包標識符PID，最終以包結束符EOP結束這個包。

3.同步域：高速USB串行接口引擎數據傳輸要開始了，同時也提供同步時鐘。對于低速設備和全速設備，同步域使用的是0000 0001（二進制數）；對于高速設備使用的是00000000 00000000 00000000 00000001。

注意：這個是對發(fā)送端的要求，接收端解碼時，0的個數可以少于這個數目。

4.包結束符：包結束符一共有8位，其中USB協(xié)議使用的只有4位（PID0~PID3），另外4位（PID4~PID7）是前四位的取反，用來校驗PID。USB協(xié)議規(guī)定了四類包，分別是：令牌包（PID1~PID0為01）、數據包（PID1~PID0為11）、握手包（PID1~PID0為10）和特殊包（PID1~PID0為00）。以下為USB2.0協(xié)議的包，帶*的為USB1.1協(xié)議沒有的：

5.令牌包：令牌包用來啟動一次USB傳輸。主機發(fā)送一個令牌來通知哪個設備進行響應，如何響應。

輸入令牌包：用來通知設備將要輸出一個數據包。

輸出令牌包：用來通知設備返回一個數據包。

建立令牌包：只用在控制傳輸中，通知設備輸出一個數據包，建立令牌包后只使用DATA0數據包，且只能發(fā)送到設備的控制端點，并且設備必須要接收，而輸出令牌包沒有這些限制。

幀起始包：在每幀開始時發(fā)送，以廣播的形式發(fā)送。USB全速設備沒毫秒產生一個幀，高速設備每125微秒產生一個幀。USB主機會對當前的幀號進行計數，在每次幀開始時通過SOF包發(fā)送幀號（或者微幀開始時，每毫秒有八個微幀，這8個微幀的幀號是一樣的）。SOF中的幀號是11位。
注意：在4個令牌包中，只有SOF令牌包之后不能跟數據傳輸，其他的都有數據傳輸。每個令牌包之后都有一個CRC5的校驗，它只校驗PID之后的數據，不包括PID本身，因為PID本身的后4位已經有取反的校驗機制了。

由于SOF令牌包之后不跟隨數據傳遞，所以SOF令牌包和其他三種包的結構不同，具體如下圖所示：

SOF令牌包結構圖

IN、OUT、SETUP令牌包結構圖

6.數據包

USB1.1中只有DATA0和DATA1兩種數據包。

USB2.0中增加了DATA2和MDATA兩種數據包，這兩種數據包主要用在高速分裂事物和高速高帶寬同步傳輸中。

數據包的統(tǒng)一結構：同步域 + 8位包標志PID + 整數字節(jié)數據 + CRC16校驗 + EOP。

之所以有不同類型的數據包，是用在握手包出錯時糾錯。具體解釋如下：

主機和設備都會維護自己的一個數據包類型切換機制：當數據包成功發(fā)送或者接收時，數據包類型切換。當檢測到對方所使用的數據包類型不對時，USB系統(tǒng)認為這發(fā)生了一個錯誤，并試圖從錯誤中恢復。數據包類型不匹配主要發(fā)生在握手包被損壞的時候。當一端已經正確接收到數據并且返回確認信號后，確認信號在傳輸過程中被損壞。這時另一端就無法知道剛才發(fā)送的數據是否已經發(fā)送成功，這時只好繼續(xù)保持自己的數據包類型不變。如果對方下一次使用的數據包類型跟自己的不一致，則說明它剛剛已經成功接收到數據包；如果對方下一次使用的數據包跟自己的一致，則說明對方沒有切換數據包類型，也就是剛剛的數據包沒有發(fā)送成功，這是上一次的重試操作。

7.握手包

握手包用來表示一個傳輸是否被對方確認。

握手包的結構：同步域 +包標識符PID + EOP。

握手包有ACK、NAK、STALL和NYET。

ACK：表示正確接收數據，并且有足夠的空間來容納數據。主機和設備都可以用ACK來確認，而NAK、STALL和NYET只有設備能夠返回，主機不能使用這些握手包。

NAK：表示沒有數據需要返回，或者數據正確接收但是沒有足夠的空間來容納。當主機接收到NAK時，知道設備還沒有準備好，主機會在以后合適的實際進行重試傳輸。

STALL：表示設備無法執(zhí)行這個請求，或者端點已經被掛起，它表示一種錯誤的狀態(tài)，設備返回STALL之后，需要主機進行干預才能解除這種STALL狀態(tài)。

NYET：只有在USB2.0高速設備輸出事物中使用，它表示設備本次數據成功接收，但是沒有足夠的空間來接收下一次數據。主機在下一次輸出數據時，將先使用PING命令牌包來探測設備是否有足夠的空間接收數據，一面不必要的帶寬浪費。

注意：NAK并不表示數據出錯，當USB主機或者設備檢測到數據出錯時，將什么都不返回，這時等待接收握手包的一方就會收不到握手包從而等待超時。

8.特殊包

特殊包是在一些特殊場合使用的包。總共有四種：PRE、ERR、SPLIT和PING。其中PRE、SPLIT、PING是令牌包，ERR是握手包。ERR、SPLIT、PING三個是在USB2.0協(xié)議中增加的。

（1）PRE：通知集線器打開其低速端口的一種前導包，PRE只能使用在全速模式中。一般情況下集線器不會將全速信號發(fā)送給低速設備，只有當接收到PRE令牌包之后，才打開其低速端口。

PRE令牌包結構：同步域 +PID +EOP。

當需要傳送低速事務時，主機首先發(fā)送一個PRE令牌包（以全速模式發(fā)送）。對于全速設備，將會忽略這個令牌包。集線器在接收到這個令牌包之后，打開其連接了低速設備的端口，接著主機就會以低速模式給低速設備發(fā)送令牌包和數據包等。

（2）PING：令牌包結構同OUT令牌包。但是PING令牌包后不發(fā)送數據，而是等待設備返回ACK或者NAK，以判斷設備是否能夠傳送數據。在USB2.0中的高速環(huán)境中才會使用PING令牌包，且只被使用在批量傳輸和控制傳輸事務中。

（3）SPLIT：高速事務分裂令牌包，通知集線器將高速數據包轉化為全速或者低速數據包發(fā)送給其下面的端口。

（4）ERR：在分裂事務中表示錯誤使用。高速分裂事務的過程比較復雜，而且主要是由集線器完成，所以不詳細說明。

9.數據包的處理

一般的USB接口芯片都會完成如CRC校驗、位填充、PID識別、數據包切換、握手等協(xié)議的處理。當USB接口芯片正確接收到數據時，入股偶有空間保存，則它將數據保存并返回ACK，同時，設置一個標志表示已經正確接收到數據；如果沒有空間保存數據，則會自動返回NAK。

收到輸入請求時，如果有數據需要發(fā)送，則發(fā)送數據，并等待接收ACK。只有當數據成功發(fā)送出去之后，才設置標志位，表示數據已經成功發(fā)送；如果沒有數據需要發(fā)送，則它自動返回NAK。

通常只需要根據芯片提供的一些標志，準備需要發(fā)送的數據到端點，或者從端點讀取接收到的數據即可。所要發(fā)送和接收的數據指的是數據包中的數據，至于同步域、包標識、地址、端點、CRC等是看不到的，在BUSHound中抓到數據也是如此，僅是數據包；并且在BUSHound中只能看到成功傳輸的數據，即只有ACK確認過的數據包。由于控制傳輸比較特殊，SETUP包也會有相應的標志供我們使用。