USB总线数据流

一、概述

USB总线的数据流是USB主机和USB设备数据通信的基础。一般来说，一个完整的USB数据流包含3个阶段——令牌阶段、数据阶段、握手阶段。

• 令牌阶段：定义了传输类型，表征数据流的开始。
• 数据阶段：包含了本次传输的数据。数据量大小根据端点和传输类型而定，最大为1024Byte。
• 握手阶段：用于数据的接收方报告此次数据传输是否成功。

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二、字段

在USB协议中，USB数据传输数据流是由一系列字段构成的。字段是USB数据流中的最小组成单元。字段有以下几种：

• 同步字段（SYNC）：用于数据同步；
• 包标记字段（PID）：指明信息包的类型，可以用于差错控制。
• 地址字段（ADDR）：指明USB总线上的一个设备。
• 端点字段（ENDP）：指明当前通信使用的USB端点。
• 帧号字段（NUM）：指明当前帧的帧号。
• 数据字段（DATA）：传输的数据。
• 校验字段（CRC）：用于循环冗余校验。

 

1. 同步字段SYNC

由于USB Host和USB Device之间是两条串行信号线，没有同步时钟，因此容易造成数据错位，导致数据不同步。为此，在USB协议中使用同步字段进行所有信息包的同步。

• 低速/全速同步字段：同步字段长度为8bit，数据为80H。在数据总线上先发送低位，在发送高位，并采用NRZI编码形式，如图所示。

• 高速同步字段：同步字段长度为32bit，数据为80000000H，发送方式与低速/全速同步字段类似。

2.  包标识字段PID：

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

包标识字段（PID）长度为8bit，由低4bit的类型字段和高4bit的校验字段组成。校验字段是类型字段的反码。

PID字段有如下4中类型信息包：

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

3. 地址字段：ADDR

地址字段的长度为7bit，共有128个地址值。其中0号地址是作为默认地址，用于USB上电时主机和设备的通信。当USB上电配置完成后，USB主机便重新为该USB设备分配一个USB地址（地址1到127）。因此USB主机最多只能有127个设备。

4. 端点字段：ENDP

端点字段的长度为4bit，共可以表示16个端点，但低于低速USB设备来说，协议只规定了3个端点，而对于高速/全速设备，则可以使用全部16个端点。这些设备中，端点0用于初期的配置，是USB设备必须的。

5. 帧号字段：NUM

帧号字段长度为11bit，最大值为07FFH。帧号字段中的值表示了当前帧或小帧的帧号，一般来说，每个帧或小帧发送时，帧号字段里的内容加1。

6. 数据字段：DATA

数据字段的最大长度为1024Byte，在数据传输时先传输低字节，每个字节先传输低位，实际数据字段的长度根据传输类型和程序的需要决定。

7. 校验字段：CRC

采用的是循环冗余校验，用于保证传输的可靠性。令牌包采用5bit的CRC，数据包采用16bit的CRC。

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USB通信实例

上图为一段USB设备上电的通信实例，是主机与设备建立连接的第一步：

1. Host发送起始信号帧SOF，表示数据传输开始。
2. 发送SETUP令牌包，表示USB Host开始配置Device，该令牌包使用默认地址（ADDR）0以及端点（ENDP）0，CRC长度为5bit；
3. 发送数据包，DATA0为PID字段，用于标识数据编号，Data字段包含通信数据内容，最后为16bit的CRC校验码。
4. Device接收到数据之后，向Host反馈ACK应答数据包。