USB的包结构及包分类

时间：2022-09-04 20:43:21
  • USB的传输总是低位在前，高位在后。
  • 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。

1. 包结构

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：① 通知USB串行接口引擎数据要开始传输；② 同步主机和设备之间的时钟。
    • 格式：① 全速/低速设备的同步域为00000001；② 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。
  • 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。

2. 包分类

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)。

USB的包结构及包分类

2.1 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。
同步域 8位标识符PID 7位地址 4位端点号 5位CRC5校验 EOP

OUT、IN、SETUP令牌包结构图

同步域 8位标识符PID 11位帧号 5位CRC5校验 EOP

SOF令牌包结构图

2.2 数据包

同步域 8位标识符PID 字节0 字节1 … 字节n 16位CRC16校验 EOP

数据包的结构图

  • 数据包类型不匹配主要发生在握手包。

2.3 握手包

同步域 8位标识符PID EOP

握手包结构图

  • 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。

2.4 特殊包

暂不介绍。

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