USB總線數據流

一、概述

USB總線的數據流是USB主機和USB設備數據通信的基礎。一般來說，一個完整的USB數據流包含3個階段——令牌階段、數據階段、握手階段。

• 令牌階段：定義了傳輸類型，表徵數據流的開始。
• 數據階段：包含了本次傳輸的數據。數據量大小根據端點和傳輸類型而定，最大爲1024Byte。
• 握手階段：用於數據的接收方報告此次數據傳輸是否成功。

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二、字段

在USB協議中，USB數據傳輸數據流是由一系列字段構成的。字段是USB數據流中的最小組成單元。字段有以下幾種：

• 同步字段（SYNC）：用於數據同步；
• 包標記字段（PID）：指明信息包的類型，可以用於差錯控制。
• 地址字段（ADDR）：指明USB總線上的一個設備。
• 端點字段（ENDP）：指明當前通信使用的USB端點。
• 幀號字段（NUM）：指明當前幀的幀號。
• 數據字段（DATA）：傳輸的數據。
• 校驗字段（CRC）：用於循環冗餘校驗。

 

1. 同步字段SYNC

由於USB Host和USB Device之間是兩條串行信號線，沒有同步時鐘，因此容易造成數據錯位，導致數據不同步。爲此，在USB協議中使用同步字段進行所有信息包的同步。

• 低速/全速同步字段：同步字段長度爲8bit，數據爲80H。在數據總線上先發送低位，在發送高位，並採用NRZI編碼形式，如圖所示。

• 高速同步字段：同步字段長度爲32bit，數據爲80000000H，發送方式與低速/全速同步字段類似。

2.  包標識字段PID：

詳情可查看：https://blog.csdn.net/haihui1996/article/details/104889037

包標識字段（PID）長度爲8bit，由低4bit的類型字段和高4bit的校驗字段組成。校驗字段是類型字段的反碼。

PID字段有如下4中類型信息包：

• 令牌包：PID[1:0] = 01B;
• 握手包：PID[1:0] = 10B;
• 數據包：PID[1:0] = 11B;
• 特殊包：PID[1:0] = 00B。

3. 地址字段：ADDR

地址字段的長度爲7bit，共有128個地址值。其中0號地址是作爲默認地址，用於USB上電時主機和設備的通信。當USB上電配置完成後，USB主機便重新爲該USB設備分配一個USB地址（地址1到127）。因此USB主機最多隻能有127個設備。

4. 端點字段：ENDP

端點字段的長度爲4bit，共可以表示16個端點，但低於低速USB設備來說，協議只規定了3個端點，而對於高速/全速設備，則可以使用全部16個端點。這些設備中，端點0用於初期的配置，是USB設備必須的。

5. 幀號字段：NUM

幀號字段長度爲11bit，最大值爲07FFH。幀號字段中的值表示了當前幀或小幀的幀號，一般來說，每個幀或小幀發送時，幀號字段裏的內容加1。

6. 數據字段：DATA

數據字段的最大長度爲1024Byte，在數據傳輸時先傳輸低字節，每個字節先傳輸低位，實際數據字段的長度根據傳輸類型和程序的需要決定。

7. 校驗字段：CRC

採用的是循環冗餘校驗，用於保證傳輸的可靠性。令牌包採用5bit的CRC，數據包採用16bit的CRC。

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USB通信實例

上圖爲一段USB設備上電的通信實例，是主機與設備建立連接的第一步：

1. Host發送起始信號幀SOF，表示數據傳輸開始。
2. 發送SETUP令牌包，表示USB Host開始配置Device，該令牌包使用默認地址（ADDR）0以及端點（ENDP）0，CRC長度爲5bit；
3. 發送數據包，DATA0爲PID字段，用於標識數據編號，Data字段包含通信數據內容，最後爲16bit的CRC校驗碼。
4. Device接收到數據之後，向Host反饋ACK應答數據包。