USB學習系列之四——USB包結(jié)構(gòu)

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(jié)束符EOP結(jié)束這個包。

3.同步域：高速USB串行接口引擎數(shù)據(jù)傳輸要開始了，同時也提供同步時鐘。對于低速設(shè)備和全速設(shè)備，同步域使用的是0000 0001（二進制數(shù)）；對于高速設(shè)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(shù)可以少于這個數(shù)目。

4.包結(jié)束符：包結(jié)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(shù)據(jù)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(shè)備進行響應，如何響應。

輸入令牌包：用來通知設(shè)備將要輸出一個數(shù)據(jù)包。

輸出令牌包：用來通知設(shè)備返回一個數(shù)據(jù)包。

建立令牌包：只用在控制傳輸中，通知設(shè)備輸出一個數(shù)據(jù)包，建立令牌包后只使用DATA0數(shù)據(jù)包，且只能發(fā)送到設(shè)備的控制端點，并且設(shè)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(shè)備沒毫秒產(chǎn)生一個幀，高速設(shè)備每125微秒產(chǎn)生一個幀。USB主機會對當前的幀號進行計數(shù)，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(shù)據(jù)傳輸，其他的都有數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，不包括PID本身，因為PID本身的后4位已經(jīng)有取反的校驗機制了。

由于SOF令牌包之后不跟隨數(shù)據(jù)傳遞，所以SOF令牌包和其他三種包的結(jié)構(gòu)不同，具體如下圖所示：

SOF令牌包結(jié)構(gòu)圖

IN、OUT、SETUP令牌包結(jié)構(gòu)圖

6.數(shù)據(jù)包

USB1.1中只有DATA0和DATA1兩種數(shù)據(jù)包。

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

數(shù)據(jù)包的統(tǒng)一結(jié)構(gòu)：同步域 + 8位包標志PID + 整數(shù)字節(jié)數(shù)據(jù) + CRC16校驗 + EOP。

之所以有不同類型的數(shù)據(jù)包，是用在握手包出錯時糾錯。具體解釋如下：

主機和設(shè)備都會維護自己的一個數(shù)據(jù)包類型切換機制：當數(shù)據(jù)包成功發(fā)送或者接收時，數(shù)據(jù)包類型切換。當檢測到對方所使用的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(jīng)正確接收到數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)是否已經(jīng)發(fā)送成功，這時只好繼續(xù)保持自己的數(shù)據(jù)包類型不變。如果對方下一次使用的數(shù)據(jù)包類型跟自己的不一致，則說明它剛剛已經(jīng)成功接收到數(shù)據(jù)包；如果對方下一次使用的數(shù)據(jù)包跟自己的一致，則說明對方?jīng)]有切換數(shù)據(jù)包類型，也就是剛剛的數(shù)據(jù)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(jié)構(gòu)：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(shù)據(jù)，并且有足夠的空間來容納數(shù)據(jù)。主機和設(shè)備都可以用ACK來確認，而NAK、STALL和NYET只有設(shè)備能夠返回，主機不能使用這些握手包。

NAK：表示沒有數(shù)據(jù)需要返回，或者數(shù)據(jù)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(shè)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(shè)備無法執(zhí)行這個請求，或者端點已經(jīng)被掛起，它表示一種錯誤的狀態(tài)，設(shè)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(shè)備輸出事物中使用，它表示設(shè)備本次數(shù)據(jù)成功接收，但是沒有足夠的空間來接收下一次數(shù)據(jù)。主機在下一次輸出數(shù)據(jù)時，將先使用PING命令牌包來探測設(shè)備是否有足夠的空間接收數(shù)據(jù)，一面不必要的帶寬浪費。

注意：NAK并不表示數(shù)據(jù)出錯，當USB主機或者設(shè)備檢測到數(shù)據(jù)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?？偣灿兴姆N：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(shè)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(jié)構(gòu)：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(shè)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(shè)備的端口，接著主機就會以低速模式給低速設(shè)備發(fā)送令牌包和數(shù)據(jù)包等。

（2）PING：令牌包結(jié)構(gòu)同OUT令牌包。但是PING令牌包后不發(fā)送數(shù)據(jù)，而是等待設(shè)備返回ACK或者NAK，以判斷設(shè)備是否能夠傳送數(shù)據(jù)。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(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)化為全速或者低速數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)包切換、握手等協(xié)議的處理。當USB接口芯片正確接收到數(shù)據(jù)時，入股偶有空間保存，則它將數(shù)據(jù)保存并返回ACK，同時，設(shè)置一個標志表示已經(jīng)正確接收到數(shù)據(jù)；如果沒有空間保存數(shù)據(jù)，則會自動返回NAK。

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

通常只需要根據(jù)芯片提供的一些標志，準備需要發(fā)送的數(shù)據(jù)到端點，或者從端點讀取接收到的數(shù)據(jù)即可。所要發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)指的是數(shù)據(jù)包中的數(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)也是如此，僅是數(shù)據(jù)包；并且在BUSHound中只能看到成功傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，即只有ACK確認過的數(shù)據(jù)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。