USB學(xué)習(xí)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(diǎn)是：以同步域開始，緊跟著一個(gè)包標(biāo)識(shí)符PID，最終以包結(jié)束符EOP結(jié)束這個(gè)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(shí)也提供同步時(shí)鐘。對(duì)于低速設(shè)備和全速設(shè)備，同步域使用的是0000 0001（二進(jìn)制數(shù)）；對(duì)于高速設(shè)備使用的是00000000 00000000 00000000 00000001。

注意：這個(gè)是對(duì)發(fā)送端的要求，接收端解碼時(shí)，0的個(gè)數(shù)可以少于這個(gè)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(lái)校驗(yàn)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(lái)啟動(dòng)一次USB傳輸。主機(jī)發(fā)送一個(gè)令牌來(lái)通知哪個(gè)設(shè)備進(jìn)行響應(yīng)，如何響應(yīng)。

輸入令牌包：用來(lái)通知設(shè)備將要輸出一個(gè)數(shù)據(jù)包。

輸出令牌包：用來(lái)通知設(shè)備返回一個(gè)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(gè)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(diǎn)，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(shí)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(gè)幀，高速設(shè)備每125微秒產(chǎn)生一個(gè)幀。USB主機(jī)會(huì)對(duì)當(dāng)前的幀號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，在每次幀開始時(shí)通過(guò)SOF包發(fā)送幀號(hào)（或者微幀開始時(shí)，每毫秒有八個(gè)微幀，這8個(gè)微幀的幀號(hào)是一樣的）。SOF中的幀號(hào)是11位。
注意：在4個(gè)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(gè)令牌包之后都有一個(gè)CRC5的校驗(yàn)，它只校驗(yàn)PID之后的數(shù)據(jù)，不包括PID本身，因?yàn)镻ID本身的后4位已經(jīng)有取反的校驗(yàn)機(jī)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(biāo)志PID + 整數(shù)字節(jié)數(shù)據(jù) + CRC16校驗(yàn) + EOP。

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

主機(jī)和設(shè)備都會(huì)維護(hù)自己的一個(gè)數(shù)據(jù)包類型切換機(jī)制：當(dāng)數(shù)據(jù)包成功發(fā)送或者接收時(shí)，數(shù)據(jù)包類型切換。當(dāng)檢測(cè)到對(duì)方所使用的數(shù)據(jù)包類型不對(duì)時(shí)，USB系統(tǒng)認(rèn)為這發(fā)生了一個(gè)錯(cuò)誤，并試圖從錯(cuò)誤中恢復(fù)。數(shù)據(jù)包類型不匹配主要發(fā)生在握手包被損壞的時(shí)候。當(dāng)一端已經(jīng)正確接收到數(shù)據(jù)并且返回確認(rèn)信號(hào)后，確認(rèn)信號(hào)在傳輸過(guò)程中被損壞。這時(shí)另一端就無(wú)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(shí)只好繼續(xù)保持自己的數(shù)據(jù)包類型不變。如果對(duì)方下一次使用的數(shù)據(jù)包類型跟自己的不一致，則說(shuō)明它剛剛已經(jīng)成功接收到數(shù)據(jù)包；如果對(duì)方下一次使用的數(shù)據(jù)包跟自己的一致，則說(shuō)明對(duì)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(lái)表示一個(gè)傳輸是否被對(duì)方確認(rèn)。

握手包的結(jié)構(gòu)：同步域 +包標(biāo)識(shí)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(lái)容納數(shù)據(jù)。主機(jī)和設(shè)備都可以用ACK來(lái)確認(rèn)，而NAK、STALL和NYET只有設(shè)備能夠返回，主機(jī)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(lái)容納。當(dāng)主機(jī)接收到NAK時(shí)，知道設(shè)備還沒有準(zhǔn)備好，主機(jī)會(huì)在以后合適的實(shí)際進(jìn)行重試傳輸。

STALL：表示設(shè)備無(wú)法執(zhí)行這個(gè)請(qǐng)求，或者端點(diǎn)已經(jīng)被掛起，它表示一種錯(cuò)誤的狀態(tài)，設(shè)備返回STALL之后，需要主機(jī)進(jìn)行干預(yù)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(lái)接收下一次數(shù)據(jù)。主機(jī)在下一次輸出數(shù)據(jù)時(shí)，將先使用PING命令牌包來(lái)探測(cè)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(fèi)。

注意：NAK并不表示數(shù)據(jù)出錯(cuò)，當(dāng)USB主機(jī)或者設(shè)備檢測(cè)到數(shù)據(jù)出錯(cuò)時(shí)，將什么都不返回，這時(shí)等待接收握手包的一方就會(huì)收不到握手包從而等待超時(shí)。

8.特殊包

特殊包是在一些特殊場(chǎng)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(gè)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(dǎo)包，PRE只能使用在全速模式中。一般情況下集線器不會(huì)將全速信號(hào)發(fā)送給低速設(shè)備，只有當(dāng)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(dāng)需要傳送低速事務(wù)時(shí)，主機(jī)首先發(fā)送一個(gè)PRE令牌包（以全速模式發(fā)送）。對(duì)于全速設(shè)備，將會(huì)忽略這個(gè)令牌包。集線器在接收到這個(gè)令牌包之后，打開其連接了低速設(shè)備的端口，接著主機(jī)就會(huì)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(huì)使用PING令牌包，且只被使用在批量傳輸和控制傳輸事務(wù)中。

（3）SPLIT：高速事務(wù)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(wù)中表示錯(cuò)誤使用。高速分裂事務(wù)的過(guò)程比較復(fù)雜，而且主要是由集線器完成，所以不詳細(xì)說(shuō)明。

9.數(shù)據(jù)包的處理

一般的USB接口芯片都會(huì)完成如CRC校驗(yàn)、位填充、PID識(shí)別、數(shù)據(jù)包切換、握手等協(xié)議的處理。當(dāng)USB接口芯片正確接收到數(shù)據(jù)時(shí)，入股偶有空間保存，則它將數(shù)據(jù)保存并返回ACK，同時(shí)，設(shè)置一個(gè)標(biāo)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(huì)自動(dòng)返回NAK。

收到輸入請(qǐng)求時(shí)，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(dāng)數(shù)據(jù)成功發(fā)送出去之后，才設(shè)置標(biāo)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(dòng)返回NAK。

通常只需要根據(jù)芯片提供的一些標(biāo)志，準(zhǔn)備需要發(fā)送的數(shù)據(jù)到端點(diǎn)，或者從端點(diǎn)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(biāo)識(shí)、地址、端點(diǎn)、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(rèn)過(guò)的數(shù)據(jù)包。由于控制傳輸比較特殊，SETUP包也會(huì)有相應(yīng)的標(biāo)志供我們使用。