USB科普基础2 - USB的包结构及包分类

USB的包结构及包分类

USB传输的数据总是低位在前, 高位在后. 注意, 这是串行传输中的低比特, 当然, 在字节层面上, usb的数据格式也是小端的.
USB的传输方向：从设备到主机的数据为输入, 从主机到设备的数据叫做输出. usb的传输方向都是从主机方向看的.

包结构

包就是usb总线上进行的一次数据传输, 是底层操作数据的最小单元.

每个包包含三部分内容: 以同步域开始, 紧跟着一个包标识符PID(Packet Identifier), 最终以包结束符EOP(End of Packet)结束这个包.

• 同步域
  作用：通知USB串行接口引擎数据要开始传输; 同步主机和设备之间的时钟.
  格式：全速/低速设备的同步域为00000001; 高速设备的同步域为31个0, 后面跟1个1. 注意, 这是对发送端的要求, 接收端在解码时, 0的个数可以少于这个数.
• 包标识符PID
  包标识符PID是用来标识一个包的类型. PID共有8位，目前USB协议仅使用4位(PID0_{PID3)，另外4位(PID4}PID7)是PID0~PID3的取反, 用来校验PID. 传输的顺序为PID0, PID1, PID2, PID3, …, PID7(低bit先传).
• 包结束符EOP
  全速/高速模式的EOP是一个约为2个数据宽度的SE0, 高速模式的EOP是通过故意的位填充错误实现的.
  单端0(SE0)：D+和D-同时保持低电平。 单端0的用处：1.包结束；2.复位信号(USB集线器对USB设备的复位操作, 就是将总线设置为SE0约10ms).
  Q: 如何一个位填充错误是EOP还是传输错误? A: 通过CRC校验, 即如果CRC正确, 则说明这个位填充是EOP, 否则说明传输错误.

包的分类

根据包标识符PID的不同, 包可以分为四种包:

• 令牌包(token packet, PID1~0为01)
• 数据包(data packet, PID1~0为11)
• 握手包(handshake packet, PID1~0为10)
• 特殊包(special packet, PID1~0为00)

令牌包

令牌包用来启动一次USB传输.

由于USB是主从结构的拓扑结构, 所以所有的数据传输都是主机发起的(唯一的例外是支持远程唤醒的设备能够主动改变总线的状态, 让集线器感知到设备的唤醒信号, 但是这一过程并不发送数据, 只是改变总线的状态).

令牌包分4种：输出(OUT)、输入(IN)、建立(SETUP)、帧起始(SOF)。

• 输出令牌包: 主机将要向设备发送一个数据包.
• 输入令牌包: 主机将要从设备读取一个数据包.
• 建立令牌包: 与输出令牌包几乎相同, 不同之处是建立令牌包只使用DATA0, 并且发送到设备的控制端点, 设备必须接收建立令牌包.
• 帧起始令牌包: 在每帧(或微帧)开始时发送, 并且以广播的形式发送, 使得总线上的所有USB全速/高速设备都可以接收到SOF令牌包.

数据包

握手包

• ACK: 正确接收数据, 并且有足够的空间容纳数据. 主机和设备都可以使用ACK来确认, 而NAK, STALL, NYET只有设备才能够返回, 主机不能使用这些握手包。
• NAK: 1. 没有数据需要返回; 2. 数据接收正确, 但是没有足够的空间容纳数据。
• STALL: 设备无法执行这个请求或者设备已挂起. 设备返回STALL, 需要主机干预才能解除这种STALL状态.
• NYET: 只在USB2.0高速设备输出设备中使用, 表示设备本次数据成功接收, 但是没有足够的空间来接收下一次的数据. 主机在下一次输出数据前, 将使用PING令牌包来探测设备是否有足够的空间接收数据, 以免浪费不必要的带宽和时间.

特殊包

由于某些USB主机同HUB之间的通信过程.
暂不介绍.

对于嵌入式开发者, 在使用很多带USB控制器的MCU时, USB控制器硬件会自动实现对各种包的解析, 并在一定程度上自动启动后续对数据的处理. 具体情况还需要阅读具体的芯片手册.

本文部分内容引用 https://www.cnblogs.com/risunlee/p/5215905.html