一文读懂 USB 协议：大话通用串行总线，从历史、架构到端点通信（下）

1.USB 的数据传输和数据包

1.1 USB 数据传输

USB 是一种异步的串行通信方式（USB 2.0 协议为半双工通信），同一时间总线上只有一包数据在传送。在 USB 总线上，数据是小端的， 也就是说先发送最低位，再发送最高位。

USB 上的数据信号线采用的是一对差分信号，信号 D+ 和信号 D-，可以表示两种数据：

  • ​Diff.1​：当 D+ 为高电平、D-为低电平时，该数据称为“差分 1”
  • ​Diff.0​：当 D+ 为低电平，D-为高电平时，该数据称为“差分 0”

Diff.1 和 Diff.0 是 USB 信号物理层的差分信号，在表示的数据方面，数据采用的是 NRZI 反相不归零的编码方式：

  • ​当 NRZI 编码数据为'0'时：​差分信号电平翻转，差分数据变化
  • ​当 NRZI 编码数据为'1'时：​差分信号保持电平，差分数据不变

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需要注意的是，差分数据和 NRZI 编码数据之间的关系：当​USB​传输"数据 0"时,物理层会产生"diff.0"的差分数据，但"diff.0"信号不一定代表"数据 0",也有可能是 NRZI 编码中的电平翻转。

如果总线上连续发送很多个'1'，将导致电平长时间不翻转，这样不利于主从设备两端的时钟同步（USB 协议没有单独的时钟线）。 因此，USB 协议中规定了以下机制:

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  1. 位填充(Bit Stuffing):
    1. 当 USB 数据线上连续出现 6 个"1"时,会强制插入一个"0"位作为同步信号
    2. 这种位填充操作可以保证电平的翻转,接收端使用这段同步码来同步自己的接收时钟,与发送端保持一致
  2. 接收端去填充:
    1. 接收端在解码数据时,需要识别并去除这些填充的"0"位
    2. 用户无需进行此操作，由芯片进行实现
    3. 可以还原出原始的数据序列

1.2 USB 数据包

在 USB 总线上,数据传输的基本单位是数据包(Packet),每个数据包由多个不同的域组成,具体包括:

  • 同步域(SYNC)

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  • 用于帮助接收端同步时钟和数据

  • 由一组数据 0 和一个数据 1 组成，一组数据 0 将导致总线上的电平连续的翻转

  • 根据 NRZI 编码，接收端可以根据电平翻转的频率，与发送端同步时钟

  • 全速/低速设备发送 7 个 0,高速设备发送 31 个 0

  • 包标识符(PID, Packet Identifier)

    • 标识当前数据包的类型,如 TOKEN、DATA、HANDSHAKE 等
    • PID 有 8 位数据，但我们只能只用其中的低四位数据，高四位数据是低四位数据的补码，用于校验

  • 其他域

    • 根据不同类型的数据包,可能包含地址、数据负载、校验等其他域

  • 包结束符(EOP, End of Packet)

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    • 标识当前数据包的结束
    • 全速和低速设备同时保持 D+ 和 D-为低电平两个数据位，也就是两个数据位的 SE0 信号
    • 高速设备则用的是位填充错误信号，主机需要检查 CRC 校验位：
      • 如果通过则是 EOP 包结束符
      • 没有通过则是位填充错误

对于任何包，都是以一个同步域和一个 PID(包标识符，Packet Identifier)开始，以 EOP(包结束符，End Of Packet)结束的。

这些不同的域组成了 USB 数据包的标准格式。根据数据包的不同用途,USB 协议定义了多种类型的数据包,如:

  • 令牌包(Token Packet)
    • 包含地址和端点信息,用于标识数据传输的目标
    • 包括 OUT、IN、SETUP 等类型
  • 数据包(Data Packet)
    • 传输实际的数据
    • 包括 DATA0 和 DATA1 两种数据包类型
  • 握手包(Handshake Packet)
    • 用于传递传输状态信息,如 ACK、NAK、STALL 等
  • 特殊包(Special Packet)
    • 包括 SOF(Start of Frame)、RESET、SPLIT 等特殊用途的数据包，完成同步、复位等特殊功能

具体数据包规定如下表所示：

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接下来，我们逐一对各个数据包进行介绍。

1.2.1 令牌包(Token Packet)

在 USB 系统中，所有的数据传送事务都是由主机发送一个令牌包开始的。

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令牌包由以下几个域组成:

  • SYNC - 同步域：用于帮助接收端同步时钟和数据
  • ​PID - 包标识符：​表示当前为令牌包，值为 OUT、IN、SOF 或 SETUP
  • ​ADDR - 设备地址：​指明数据传输的目标设备地址
  • ​ENDP - 端点号：​指明数据传输的目标端点号
  • ​CRC5 - 5 位循环冗余校验：​用于检验前面字段的完整性
  • EOP - 包结束符：标识当前令牌包的结束

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上表中列出的 4 种令牌包中，OUT、IN、SETUP 包的数据格式是一样的。 SOF 令牌包则略有不同。每种令牌包的 CRC5 校验只校验 PID 之后的数据：

  • OUT 令牌包:
    • 主机通知设备即将向其发送数据包
    • 设备需要准备接收数据
  • IN 令牌包:
    • 主机告知设备需要从其读取数据
    • 设备需要准备发送数据
  • SETUP 令牌包:
    • 与 OUT 类似,通知设备即将发送一个数据包
    • 但随后的数据包只能是 DATA0,且只能发送到控制端点
  • SOF(Start of Frame)令牌包:
    • 主机周期性发送,用于与设备之间的同步

1.2.2 数据包(Data Packet)

数据包的结构固定为：同步域和 PID 之后跟着 N 个字节的数据，最后是 16 位的 CRC16 校验和包结束符 EOP。

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其中，PID 可以为 DATA0 或 DATA1，DATA0 和 DATA1 是两种不同类型的数据包，这是一种确保在高速传输模式下数据传输可靠性的机制，在 USB1.1 协议中，就定义了 DATA0 和 DATA1 两种数据包：

  1. DATA0 和 DATA1 的交替使用:
    1. 主机和设备在传输数据时会交替使用这两种数据包类型
    2. 帮助接收端识别数据包的先后顺序
  2. 容错纠错机制:
    1. 当接收端检测到数据包类型不匹配时,会认为上次传输发生了错误
    2. 这会触发重传机制,提高数据传输的可靠性
  3. 数据包类型切换:
    1. 主机和设备各自维护一个数据包类型切换状态机
    2. 在成功发送或接收数据后,会切换到下一种数据包类型

在 USB2.0 中又增加了 DATA2 和 MDATA 包，用于高速分裂事务和高速高带宽同步传输中：

  • DATA2 数据包
    • 用于高速分裂事务(High-Speed Split Transaction)
    • 在 USB Host 和高速设备之间进行分裂式数据传输时使用
    • 提高了主机和高速设备之间的互操作性
  • MDATA 数据包
    • 用于高速高带宽同步传输(High-Speed High-Bandwidth Isochronous)
    • 可以在一个微帧(Microframe)内传输多个数据包
    • 满足对实时性和带宽有严格要求的应用

1.2.3 握手包(Handshake Packet)

握手包有同步域、PID 和 EOP，用于确认一次传输：
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常见的握手包类型有以下几种:

  • ​ACK​:主机或设备成功接收数据
  • ​NAK​:设备通知主机数据还未准备好
  • ​STALL​:设备的端点被挂起
  • ​NYET​:表示设备本次数据成功接收，但没有足够的空间来接收下一次数据

1.2.4 特殊包(Special Packet)

特殊包用于一些特殊功能，包括：

  • SOF (Start of Frame)
    • 主机周期性发送的特殊包
    • 用于与设备之间进行同步
    • 包含 1 毫秒为单位的帧号
  • RESET
    • 主机发送以复位 USB 设备
    • 设备在收到 RESET 后进入默认状态
  • SPLIT
    • 用于实现高速设备和全/低速设备之间的分裂事务
    • 主机先发 SPLIT 包给全/低速设备,再进行数据传输
  • ERR
    • 标识高速分裂事务中出现错误
  • PING
    • 主机发送以检查高速设备是否准备好接收数据
    • 高速设备回复 ACK 或 NAK，可用于用于高速设备的流控

2.USB 的数据帧和事务

USB 数据传输中，最顶层的单位是一个数据帧，每个帧持续 1 毫秒。一帧由帧起始 (SOF) 数据包和一个或多个事务组成，SOF 标志着 USB 总线上新帧的开始。

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USB 的基本传输单元称为事务(Transaction),一个完整的事务包括以下几个步骤:

  1. 令牌阶段(Token Phase)
    1. 主机发送令牌包 Token Packet,指明本次事务的目标设备和端点
    2. 令牌包包括 IN、OUT 和 SETUP 三种类型，分别用于指示数据传输的方向和类型
  2. 数据阶段(Data Phase)
    1. 如果有数据需要传输,主机或设备会发送数据包 Data Packet
    2. 数据包的大小受端点最大包长度的限制
    3. 数据传输可以是 IN 方向（从设备到主机）或 OUT 方向（从主机到设备）
  3. 状态阶段(Status Phase)
    1. 接收方发送握手包 Handshake Packet,表示数据传输的状态(成功/失败)

这三个阶段组成了一个完整的 USB 事务。主机根据设备的端点类型,采用不同的事务类型,如控制、批量、中断和等时传输。主机会根据设备描述符信息,合理地调度各个设备之间的事务,避免冲突,确保公平性。这种分阶段的事务机制,使得 USB 协议能够灵活地适应不同类型数据传输的需求,为设备提供高效稳定的工作环境。

综合上述内容，可以看到数据帧(Frame)、传输事务(Transaction)和数据包(Packet)之间的关系如下：

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  • 数据帧提供了时间同步和调度的基本框架
  • 传输事务是在一个数据帧内完成的基本数据交互单元
  • 每个事务由多个数据包组成,数据包是最小的传输单元
posted @ 2026-09-01 19:12  FreakStudio  阅读(7)  评论(0)    收藏  举报