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協議規定了四類包，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協議的包，帶*的為USB1.1協議沒有的：

5.令牌包：令牌包用來啟動一次USB傳輸。主機發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：在每幀開始時發送，以廣播的形式發送。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。

數據包的統一結構：同步域 + 8位包標志PID + 整數字節數據 + 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系統認為這發生了一個錯誤，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送的數據是否已經發送成功，這時只好繼續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：表示設備無法執行這個請求，或者端點已經被掛起，它表示一種錯誤的狀態，設備返回STALL之后，需要主機進行干預才能解除這種STALL狀態。

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，主機首先發送一個PRE令牌包（以全速模式發送）。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，如果有數據需要發送，則發送數據，并等待接收ACK。只有當數據成功發送出去之后，才設置標志位，表示數據已經成功發送；如果沒有數據需要發送，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。