揭秘USB報文的結構與運作機制

導言

上一節我們詳細討論了USB的比特級編解碼，本章將以此為基礎，進一步介紹USB字段及包的格式。USB包的構成是一個逐層的過程，信息首先以二進制串行數據的形式存在。這些串行數據按照特定規則被組織成字段（filed），字段（filed）是包（packet）的基本單元。多個字段（filed）按照一定的順序組成一個包（packed），進一步地，多個包（packed）可以組成一個事務（transaction），事務（transaction）是USB通信中更大粒度的數據傳輸單元。最終，多個事務（transaction）組成一個傳輸（transfer），代表了一個完整的數據傳輸過程。本文主要講解Packet，下一章將會探討USB事務（transaction）的傳輸過程。

1字段（filed）

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所有包都有包開始（SOP）和結束（EOP）界定符。包（packet）與開始界定符（SOP）的分隔符是 SYNC 字段。輸入電路使用SYNC來將輸入數據與本地時鐘對齊，SYNC 字段中的最后兩位是一個標記，用于識別 SYNC 字段的結束，并通過推斷識別 PID 的開始。字段（filed）是包（packet）的基本單元，每種包（packet）都有對應的字段。

包標識符字段（PID）

每個USB包的SYNC字段后緊跟一個PID
PID由一個四位包類型字段和一個四位校驗字段組成
PID指示包的類型，暗示了包的格式和應用的錯誤檢測類型
四位校驗字段確保PID的可靠解碼，以確保正確解釋包
PID的四位校驗字段是通過對包類型字段進行補碼生成的
如果四個PID校驗位與它們各自的包識別符位不是補碼關系，則發生PID錯誤
主機和所有功能必須對所有接收到的PID字段進行完整解碼
如果接收到的PID的校驗字段失敗，或者解碼為非定義的值，則假定其已損壞
包接收器將忽略整個包，包括損壞的PID
如果功能收到了一個它不支持的事務類型或方向的有效PID，則該功能不得回應，例如，僅支持輸入的端點應忽略輸出令牌
PID分為四個編碼組：令牌、數據、握手和特殊
傳輸的前兩位PID位（PID<0:1>）指示編碼組

地址字段

地址字段有兩部分組成：功能地址字段（ADDR）和端點字段（EP）。

如果包的地址字段與設備端點不匹配則必須忽略這個包。

「功能地址字段（ADDR Field）」

ADDR字段通過其地址指定功能，根據令牌PID的值，功能可能是包的源或目的。
ADDR<6:0>指定了128個地址
ADDR字段用于IN、SETUP和OUT令牌以及PING和SPLIT特殊令牌
每一個單獨的功能(function)都會有一個ADDR值，這意味著可能會有多個端點（Endpoint）共享一個ADDR
復位和上電時，ADDR默認為零，必須在枚舉過程中由主機進行分配
ADDR 0被保留作為默認地址，不能分配給其他用途

「端點字段（Endpoint Field）」

附加的4位端點字段（ENDP）允許在多端點（Endpoint）的功能（Function）中更靈活地進行尋址
除了端點地址0外，其他端點地址是根據功能（Function）的端點來定義的
端點字段定義了用于IN、SETUP和OUT令牌以及PING特殊令牌
所有功能必須支持端點地址為零的默認控制管道（Default Control Pipe）
低速設備每個功能最多支持3個端點：端點編號為零的控制管道以及另外兩個端點

額外的兩個端點可以作為：

1.兩個控制管道

2.一個控制管道和一個中斷端點

3.兩個中斷管道
全速和高速功能可以支持最多16個IN和OUT端點（16組端點）

幀號字段（Frame Number Field）

USB幀的概念是用于組織和標記數據傳輸的時間間隔，幀號就是用來標識這些幀的序號，一個幀內可以包含一個或多個包
在USB幀的包中，幀號字段位于幀的頭部。幀的頭部包含同步（SYNC）和定界符（SOP）以及其他必要的信息，幀號字段在這個頭部中用于指示當前幀的序號
USB 2.0規范中，幀號字段是11位長。這意味著，幀號的范圍在0到2047之間，當達到2047后會重新從0開始
每當USB總線上的一個新幀開始時，幀號字段會遞增
幀號字段的主要用途是為USB系統提供一個時間基準，確保設備和主機能夠按照同一時間軸進行數據傳輸。幀號也用于幫助處理時間敏感的USB應用，如音頻和視頻傳輸

數據字段（Data?Field）

數據字段的范圍可以從 0 到 1024 字節
數據字段通常位于USB數據包的中間部分，緊隨在幀的同步和定界部分以及可能的地址、端點和其他控制信息之后。具體的數據字段位置和長度取決于USB傳輸的類型和幀結構
數據字段承載了需要在USB設備之間傳輸的實際數據。這可以是應用程序數據、控制命令、中斷數據等，取決于USB傳輸的類型。例如，在批量傳輸中，數據字段可能攜帶文件的內容；在控制傳輸中，數據字段可能包含控制請求和應答等
數據字段之后通常會包含錯誤檢測和結束標記。錯誤檢測用于驗證數據的完整性，而結束標記則指示數據字段的結束，幫助接收端正確解析傳輸

CRC字段（CRC?Field）

和以太網類似，USB包在末尾也會有校驗字段CRC，其CRC的校驗不包括PID字段，主要校驗PID之后的地址、幀號、數據等字段。USB包的CRC有兩種分別應用于兩種不同的場合：

「令牌CRC（Token?CRC）」

G(X) = X5 + X2 + 1
令牌CRC字段用于校驗IN、SETUP和OUT令牌的ADDR和ENDP字段，或SOF令牌的時間戳字段。同時，PING和SPLIT特殊令牌也包括一個五位CRC字段
如果所有令牌位在接收端無錯誤地接收，CRC字段的5位余數將為01100B。這表示CRC校驗成功，沒有檢測到錯誤

「數據CRC（Data?CRC）」

G(X) = X16 + X15 + X2 + 1
數據CRC字段用于校驗帶有Data字段的數據包（Data Packet）
如果所有數據和CRC位都正確接收，則16位余數將為1000000000001101B

2包（Packet）

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USB（Universal Serial Bus）的數據傳輸基本單位是數據包（Packet）。USB數據包根據不同的令牌類型和傳輸階段，有不同的格式和含義。常見的令牌類型包括IN、OUT、SETUP、SOF（Start of Frame）等。整個USB通信過程由一系列數據包組成，這些數據包通過同步和特定字段的解析，實現設備之間的可靠數據傳輸。

令牌包（Token Packets）

令牌包由PID（IN、OUT、SETUP類型）、ADDR和ENDP字段組成。PING特殊令牌包也包含相同的字段。令牌的PID指定了數據包類型和相關的地址、端點信息
令牌類型分為IN、OUT、SETUP和PING。IN令牌表示從設備到主機的數據傳輸，OUT和SETUP令牌表示從主機到設備的數據傳輸，PING令牌表示握手傳輸。令牌中的地址和端點字段用于唯一標識相關的設備端點
令牌包包含一個五位CRC校驗，用于覆蓋地址和端點字段。這有助于接收方驗證令牌包的完整性。不過，CRC不覆蓋PID，PID有自己的校驗字段。
令牌和SOF（Start of Frame）包在三個字節的數據字段后由EOP標志作為結束。如果一個包在三個字節后未以EOP結束，即使它解碼為有效的令牌或SOF，也必須被視為無效并被接收方忽略。
令牌包應用

設備初始化：當USB設備插入計算機的端口時，主機會向設備發送OUT令牌包，指定設備的地址和初始化信息。設備收到令牌包后，可能會進行初始化過程。

數據讀取：如果主機需要從USB設備讀取數據，它會發送IN令牌包，指定設備地址和相關的端點。設備在收到令牌后，將準備好的數據放入數據包中發送給主機。

數據寫入：當主機需要向USB設備寫入數據時，它會發送OUT令牌包，指定設備地址和相關的端點。設備在接收到令牌后，等待主機發送數據包，并進行數據的寫入操作。

設備控制：主機通過發送SETUP令牌包向USB設備發送控制信息，例如設備的配置、狀態查詢等。設備收到SETUP令牌后，執行相應的控制命令。

握手協議：使用PING令牌包進行握手協議。主機發送PING令牌，指定設備地址和端點，設備收到PING后，可以回復握手信號，表示是否準備好繼續通信

幀起始包（Start-of-Frame?Packets（SOF））

SOF包由主機定期發出，全速總線為每1.00毫秒±0.0005毫秒一次，高速總線為125微秒±0.0625微秒一次。它包含一個指示數據包類型的PID，后跟一個11位的幀編號字段。
SOF令牌是一個令牌-only事務（僅由令牌階段組成的事務），以精確定時的間隔分發SOF標記和相應的幀編號，對應于每個幀的開始。所有高速和全速功能（包括集線器）都接收SOF包。SOF令牌不會導致任何接收函數生成返回數據包，因此無法保證SOF包傳遞到任何給定的功能。
SOF令牌主要用于在總線上定期分發幀號，幫助USB設備同步其操作。SOF事務中的令牌僅包含PID（Packet Identifier）和幀編號字段，沒有數據傳輸或握手。
幀和微幀

全速（Full-Speed）幀時間：

??? USB定義了每1毫秒一個周期的全速幀時間

????通過每1ms發出一次的SOF令牌來指示全速幀的開始

高速（High-Speed）微幀：

??? USB還定義了高速微幀，其幀時間為125微秒

????與全速類似，SOF令牌用于指示每125μs一個周期的高速微幀的開始

SOF令牌生成：

??? SOF令牌由主機控制器或集線器事務轉換器（hub transaction translator）生成

????在全速鏈路上，每1毫秒生成一次SOF令牌

????在高速鏈路上，每過七個125μs周期后生成一次SOF令牌

高速設備對SOF的處理：

????高速設備在每1ms周期內看到具有相同幀號的SOF令牌共八次（每125μs一次）

????高速設備可以通過檢測具有與之前的 SOF 不同的幀編號的 SOF 并將其視為第0個微幀來本地確定特定的微幀“編號”。接下來的 7 個具有相同幀號的 SOF 可被視為微幀 1 至 7。
SOF應用：

幀同步：SOF令牌每隔一定的時間周期性地發出，用于同步所有連接到USB總線的設備。USB設備根據SOF令牌的到達來確定當前幀的開始。這對于協調和同步USB總線上的各個設備的操作至關重要。

時間基準：SOF令牌中包含一個幀編號字段，用于標識當前幀。USB設備可以利用幀編號來測量時間，實現時間同步或執行與時間相關的操作。這對于需要準確時間基準的應用非常重要。

輪詢設備：主機通過SOF令牌可以定期輪詢連接的USB設備。設備可以在SOF令牌的基礎上執行特定的操作，例如響應主機的查詢或報告設備的狀態。

管理USB總線帶寬：SOF令牌的周期性發送確保了USB總線的帶寬分配。USB設備可以根據SOF令牌的到達來進行數據傳輸或執行其他操作，以確保總線上的有效利用。

數據包（Data?Packets）

數據包由PID、包含零個或多個字節數據的數據字段以及CRC組成
有四種不同PID標識的數據包類型，分別是DATA0、DATA1、DATA2和MDATA
DATA0和DATA1兩種數據包PID用于支持數據切換同步（Data Toggle Synchronization）
所有四種數據PID在高帶寬高速等時鐘同步端點（USB 支持單獨的高速中斷或同步端點，這些端點需要高達 192 Mb/s 的數據速率）的數據PID排序中使用

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三種數據PID（MDATA、DATA0、DATA1）用于分割事務（Split Transactions）
數據必須始終以整數字節數發送
數據CRC僅計算在數據包的數據字段上，不包括PID，而PID有自己的檢查字段
低速設備允許的最大數據負載大小為8字節，全速設備允許的最大數據負載大小為1023字節，高速設備允許的最大數據負載大小為1024字節

SPLIT包（分割事務包）

在 USB 中，分割事務（Split Transaction）是一種特殊的通信機制，允許高速 USB 主機與全速/低速 USB 設備進行通信。這個過程涉及兩個令牌：開始分割事務令牌（Start-Split Transaction Token）和完成分割事務令牌（Complete-Split Transaction Token）。這種機制使得高速主機能夠與全速或低速設備進行通信，同時維持 USB 總線的高速性能。分割事務的應用場景通常涉及帶有分層結構的 USB 架構，例如 USB hub 將高速總線轉換為全速或低速總線。

「開始分割事務令牌（Start-Split Transaction Token）」