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基于DWC2的USB驅動開發-USB包詳解 (qq.com)

一.前言

不管什么通訊協議，比如UART，SPI，USB等等，不管是并口還是串口，不管是同步還是異步，我們從抽象的角度去看，其本質都是一樣的。都是先定義物理信號，物理信號可能是差分，單端，電流驅動電壓驅動等等，不管是什么樣的物理信號，我們從抽象角度看就是不同的物理狀態和數字1和0的對應， 這里的狀態不一定是電壓(雖然數字通訊大部分就是電壓)，也可能是頻率，相位等等，這里的狀態也不一定是電平狀態也可能是跳變狀態，只要是有不同狀態可以區分的都可以，甚至你可以自由發揮自我創造。這里的數字1和0即bit，至此我們就到了數字的世界，一切都是1和0的世界了，這個轉化是由PHY的收發器完成的。bit再按照一定規則組成幀或者包，然后在包的基礎上定義各層協議。任意的通信協議都不外呼上述的過程，USB也是如此。這樣一看USB也沒有那么可怕了，和我們用的UART等協議本質是一樣的，只是物理層信號不一樣，協議不一樣而已。這一篇我們就來介紹協議層，底層相關的一些內容，這一篇主要關注USB的包，不涉及物理層信號，也不管位填充等等。

二.協議的一般約定

上面提到，協議都是建立在bit之上的，bit組成byte然后組成包或者幀。那么對于bit和byte在總線上的出現就有一個順序的約定，對于bit先發低位即 LSb ，對于byte先發低字節即 LSB 。對于協議中的多字節數據域都是 小端模式 ，即低字節在低地址，總線上先發送。

三.包組成

前面提到了包就是一系列的1，0序列組成，但是為了協議能解析，包需要分成一些特定的區域以代表不同的功能。比如一些常見的協議一般都有同步域，頭，負載，校驗等部分。

USB也類似，下面就介紹USB包的組成部分，不同包類型可能由不同的部分扭組合而成。

3.1SYNC同步域

所有USB的數據包以一個SYNC同步區域開始，接收電路可以利用該區域進行時鐘對齊。類似的CAN協議也有硬同步機制都差不多。所謂的硬對齊即通過一個特殊的狀態(區別于正常的數據，比如一個長串的1，長串的0，任何可以區別于其他狀態的都可以)來表示開始，然后以該開始狀態后的一個時鐘邊沿作為對齊。

SYNC的最后兩位用于標志SYNC的結束，承接PID的開始。

我們看到SYNC就是KJ對，所以有，邊沿這樣接收端就可以根據這些邊沿進行和北部時鐘同步，注意有意第一個KJ對有失真，所以不能用于同步。

SYNC是包的同步機制，不含協議層的有效信息，所以一般協議分析中就不會體現這部分了，只有硬件分析時才可能關注該部分，比如要示波器抓包則可以設置觸發條件來觸發到包頭觸發。

另外圖中SYNC開始，即從Idle到K也叫SOP，表示包的開始。

3.1.1全速/低速

8位:3個KJ對加兩個K，KJKJKJKK

如下所示

3.1.2高速

32位:15個KJ對加兩個K,KJKJKJKJ KJKJKJKJ KJKJKJKJ KJKJKJKK .

當重復數據包時，集線器允許從SYNC開始最多丟棄4位,但不能破壞SYNC字段的任何重復位。因此，在被5個集線器重復之后，SYNC字段可以短至12位。

但是注意對于接收方不一定要接收8位或者32位，對于高速接收到至少12位就算(KJKJKJKJKJKK)

3.2包ID區域

SYNC后面就是PID區域，可以看到和我們通常的協議都是一個套路，比如我們使用串口自定義應用層協議，一般前面會用幾個特殊字節作為同步域用于標志包的開頭，如果用AA，55這種還可以用于時鐘同步，波特率自適應。然后定義一個TYPE字段表示該包的作用和類型，這樣看來USB也不過如此，這種套路我們早就用過很多了。

USB的PID定義如下，用于表示包的類型，

低4位為包類型編碼，高四位為其取反用于校驗，接收方如果校驗低4位不是高4位的取反則為PID錯誤。對于編碼類型位定義或者PID校驗錯誤的包丟棄。

對于PID合法但是不符合預期的比如對IN端點收到了OUT令牌則不響應。

PID的編碼如下，注意如下是按照高位在左，實際傳輸是低位先傳輸，注意觀察下表

可以看到PID分為了4組，通過PID<0:1> 區分。

比如，以下為一個控制傳輸的實例，和上表對應,高低4位相加都是0xF

SETUP是0x2D

DATA0 是0xC3

ACK是0xD2

IN是0x69

NAK是0x5A

3.3地址域

地址域包括功能地址域和端點域。地址域必須完全獨立匹配，不容許重名(別名)，不符合的SETUP必須忽略，訪問未初始化的端點的SETUP也要忽略。

一個設備對應一個地址，地址有7位，所以可以尋址128個設備。

一個設備地址對應一個功能，默認設備地址是0，在枚舉階段，標準請求設置地址。

設備地址0即做枚舉使用，不能分配給其他使用。

IN，STEUP，OUT，PING，SPLIT都需要帶ADDR以表明是和哪個設備通訊。

ADDR后面是端點域,4位可以表示16個端點。所以可以到設備最多16個端點。

端點0用于控制傳輸是必須支持的，所以很多控制端點是默認使能的，不需要手動使能，

其他端點是功能相關。

SETUP，IN，OUT，PING都要帶端點，表示和哪個端點通訊。

低速設備支持最多3個端點，控制端點0+兩個端點(兩個控制端點，控制端點+中斷端點，或者兩個中斷端點)。

注意控制端點不一定要是端點0，也可以是其他端點，但是必須要有端點0的控制端點。

全速和高速設備支持最多16個IN和OUT端點。

3.4幀序號域

幀序號區域11位，由主機每1mS遞增1.

到達最大值0x7FFH時繞回，只有SOF包中有。

SOF包在低速全速時是1mS發一次，

高速則是125uS發一次，注意只有1mS才子等一次，即一個微幀內不遞增，也就是8個SOF才遞增一次。

3.5數據域

數據域范圍從0到1024字節，不同速度不同端點類型長度不一樣，低字節先發

不同速度不同端點類型包長如下表

3.6校驗域

校驗區域采用CRC校驗，保護非PID區域，這里為什么不包括PID呢? 因為PID自帶校驗了。

注意:CRC是在bit填充之前生成的，帶CRC的結果之后才是bit填充，接收是先bit填充恢復，然后才是CRC計算。這個很好理解bit填充是硬件層對于信號編碼的處理，所以是最后一步，CRC是協議層的內容肯行在前。

對于CRC錯誤的丟棄該部分數據，一般就是整個包。

Token的CRC

對IN，SETUP和OUT包的ADDR ENDP部分

SOF包的時間戳部分

PING和SPLIT包的ADDR ENDP部分

進行5位CRC校驗。

G(X) = X5+ X **2 ** + 1

數據的CRC

數據包使用16位CRC，對數據域進行校驗

G(X) = X16+ X15+ X **2 ** + 1

四.各種包格式

4.1令牌包

PID可以是IN，OUT，SETUP，PING

只有主機才能發令牌包，為什么呢？ 因為USB架構是主從架構的，只有主機發起通訊，即由令牌包開始，從機才能會響應，否則這么多設備一起啟動發送就會亂套了。哪怕是設備要發送數據也是必須要主機發IN令牌包，從機才能響應。

令牌和SOF包由數據之后三字節的EOP間隔。如果一個數據包解碼為非有效的令牌或SOF沒有有效的EOP終止，則它必須被視為無效包被忽略。

4.2SOF包

全速時1.00 ms ±0.0005 ms 發一次SOF包

高速則125 μs ±0.0625 μs 發一次

SOF包不需要響應。

SOF包由主機或者HUB發送

注意高速的微幀內幀序號是不遞增的，只有下一個ms才遞增，可以通過判斷幀號的遞增來同步到該微幀是1ms內的第一個微幀，接下來的是剩余的7個。

4.3數據包

數據包有以下幾種

DATA0，DATA1，DATA2，MDATA

DATA1 DATA1 DATA0用于高帶寬ISO傳輸，即一個微幀傳3包則按照DATA2-DAT1-DATA0傳輸。

DATA1-DATA0用于傳輸翻轉差錯控制

不同速度的不同傳輸類型包長不一樣進前面的說明。

4.4握手包

握手包用于數據傳輸時報告狀態, 反應數據命令是否成功接收或接受，流控，halt等。

注意不是所有的包都需要握手，比如ISO數據是不需要握手的，因為其注重實時性，不管可靠性，IN和OUT數據之后對方收沒收到不管，好比UDP和TCP的區別。

例如如下的ISO的IN，設備返回數據后主機是不需要回ACK的

握手包格式如下，只有PID域:

握手包有如下幾種類型，具體什么情況回什么包，可以參考規格書的第8章的不同傳輸的拓撲圖，比如對于中斷傳輸的IN設備可能回NAK和STALL。

4.4.1ACK

ACK由數據的接收方回，表示數據被接收且沒有任何錯誤。

4.4.2NAK

NAK用于流控，由設備回，注意主機不能回NAK。

表示數據沒有準備好，或者不能接收數據。

4.4.3STALL

STALL由設備回，表示不能收發數據，或者指定的請求不支持。

主機不能回STALL。

在端點相關的特征Halt之后，再請求端點相關的特征則回STALL。

還有就是控制傳輸時可能回STALL，具體參考規格書中各種傳輸的拓撲圖。

4.4.4NYET

只有高速有，

PING協議中對數據包回NYET表示本包接收，不能繼續接收下一包。

HUB在split傳輸時也可能回NYET表示split船速和未完成或者不能處理split傳輸。

4.4.5ERR

只有高速HUB使用

用于報告全速/低速總線上的錯誤。

規格書8.4.6章節對響應有一個總結，

IN傳輸設備的響應

IN傳輸主機的響應，可以看到主機不能NAK要不就是ACK要不就是不響應。

OUT傳輸設備響應

設備對SETUP的響應

設備不能對SETUP和其數據做STALL和NAK響應，要么就是ACK要么就是不響應。

4.5SPLIT相關令牌包

這部分內容也比較多，后面單獨一篇講。

五.總結

熟悉USB包的格式，是后面查看協議分析儀，示波器抓波形分析等基礎，所以需要了解。USB報的格式沒有什么特殊，和其他協議套路都是一樣的，要從抽象的結構去理解。

審核編輯：湯梓紅