本文轉(zhuǎn)自公眾號(hào)歡迎關(guān)注
基于DWC2的USB驅(qū)動(dòng)開發(fā)-USB包詳解 (qq.com)

一.前言

不管什么通訊協(xié)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(zhì)都是一樣的。都是先定義物理信號(hào)，物理信號(hào)可能是差分，單端，電流驅(qū)動(dòng)電壓驅(qū)動(dòng)等等，不管是什么樣的物理信號(hào)，我們從抽象角度看就是不同的物理狀態(tài)和數(shù)字1和0的對(duì)應(yīng)， 這里的狀態(tài)不一定是電壓(雖然數(shù)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(tài)也不一定是電平狀態(tài)也可能是跳變狀態(tài)，只要是有不同狀態(tài)可以區(qū)分的都可以，甚至你可以自由發(fā)揮自我創(chuàng)造。這里的數(shù)字1和0即bit，至此我們就到了數(shù)字的世界，一切都是1和0的世界了，這個(gè)轉(zhuǎn)化是由PHY的收發(fā)器完成的。bit再按照一定規(guī)則組成幀或者包，然后在包的基礎(chǔ)上定義各層協(xié)議。任意的通信協(xié)議都不外呼上述的過(guò)程，USB也是如此。這樣一看USB也沒(méi)有那么可怕了，和我們用的UART等協(xié)議本質(zhì)是一樣的，只是物理層信號(hào)不一樣，協(xié)議不一樣而已。這一篇我們就來(lái)介紹協(xié)議層，底層相關(guān)的一些內(nèi)容，這一篇主要關(guān)注USB的包，不涉及物理層信號(hào)，也不管位填充等等。

二.協(xié)議的一般約定

上面提到，協(xié)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(duì)于bit和byte在總線上的出現(xiàn)就有一個(gè)順序的約定，對(duì)于bit先發(fā)低位即 LSb ，對(duì)于byte先發(fā)低字節(jié)即 LSB 。對(duì)于協(xié)議中的多字節(jié)數(shù)據(jù)域都是 小端模式 ，即低字節(jié)在低地址，總線上先發(fā)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(xié)議能解析，包需要分成一些特定的區(qū)域以代表不同的功能。比如一些常見的協(xié)議一般都有同步域，頭，負(fù)載，校驗(yàn)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(shù)據(jù)包以一個(gè)SYNC同步區(qū)域開始，接收電路可以利用該區(qū)域進(jìn)行時(shí)鐘對(duì)齊。類似的CAN協(xié)議也有硬同步機(jī)制都差不多。所謂的硬對(duì)齊即通過(guò)一個(gè)特殊的狀態(tài)(區(qū)別于正常的數(shù)據(jù)，比如一個(gè)長(zhǎng)串的1，長(zhǎng)串的0，任何可以區(qū)別于其他狀態(tài)的都可以)來(lái)表示開始，然后以該開始狀態(tài)后的一個(gè)時(shí)鐘邊沿作為對(duì)齊。

SYNC的最后兩位用于標(biāo)志SYNC的結(jié)束，承接PID的開始。

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

SYNC是包的同步機(jī)制，不含協(xié)議層的有效信息，所以一般協(xié)議分析中就不會(huì)體現(xiàn)這部分了，只有硬件分析時(shí)才可能關(guān)注該部分，比如要示波器抓包則可以設(shè)置觸發(fā)條件來(lái)觸發(fā)到包頭觸發(fā)。

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(gè)KJ對(duì)加兩個(gè)K，KJKJKJKK

如下所示

3.1.2高速

32位:15個(gè)KJ對(duì)加兩個(gè)K,KJKJKJKJ KJKJKJKJ KJKJKJKJ KJKJKJKK .

當(dāng)重復(fù)數(shù)據(jù)包時(shí)，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(fù)位。因此，在被5個(gè)集線器重復(fù)之后，SYNC字段可以短至12位。

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

3.2包ID區(qū)域

SYNC后面就是PID區(qū)域，可以看到和我們通常的協(xié)議都是一個(gè)套路，比如我們使用串口自定義應(yīng)用層協(xié)議，一般前面會(huì)用幾個(gè)特殊字節(jié)作為同步域用于標(biāo)志包的開頭，如果用AA，55這種還可以用于時(shí)鐘同步，波特率自適應(yīng)。然后定義一個(gè)TYPE字段表示該包的作用和類型，這樣看來(lái)USB也不過(guò)如此，這種套路我們?cè)缇陀眠^(guò)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(yàn)，接收方如果校驗(yàn)低4位不是高4位的取反則為PID錯(cuò)誤。對(duì)于編碼類型位定義或者PID校驗(yàn)錯(cuò)誤的包丟棄。

對(duì)于PID合法但是不符合預(yù)期的比如對(duì)IN端點(diǎn)收到了OUT令牌則不響應(yīng)。

PID的編碼如下，注意如下是按照高位在左，實(shí)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(guò)PID<0:1> 區(qū)分。

比如，以下為一個(gè)控制傳輸?shù)膶?shí)例，和上表對(duì)應(yīng),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(diǎn)域。地址域必須完全獨(dú)立匹配，不容許重名(別名)，不符合的SETUP必須忽略，訪問(wèn)未初始化的端點(diǎn)的SETUP也要忽略。

一個(gè)設(shè)備對(duì)應(yīng)一個(gè)地址，地址有7位，所以可以尋址128個(gè)設(shè)備。

一個(gè)設(shè)備地址對(duì)應(yīng)一個(gè)功能，默認(rèn)設(shè)備地址是0，在枚舉階段，標(biāo)準(zhǔn)請(qǐng)求設(shè)置地址。

設(shè)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(gè)設(shè)備通訊。

ADDR后面是端點(diǎn)域,4位可以表示16個(gè)端點(diǎn)。所以可以到設(shè)備最多16個(gè)端點(diǎn)。

端點(diǎn)0用于控制傳輸是必須支持的，所以很多控制端點(diǎn)是默認(rèn)使能的，不需要手動(dòng)使能，

其他端點(diǎn)是功能相關(guān)。

SETUP，IN，OUT，PING都要帶端點(diǎn)，表示和哪個(gè)端點(diǎn)通訊。

低速設(shè)備支持最多3個(gè)端點(diǎn)，控制端點(diǎn)0+兩個(gè)端點(diǎn)(兩個(gè)控制端點(diǎn)，控制端點(diǎn)+中斷端點(diǎn)，或者兩個(gè)中斷端點(diǎn))。

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

全速和高速設(shè)備支持最多16個(gè)IN和OUT端點(diǎn)。

3.4幀序號(hào)域

幀序號(hào)區(qū)域11位，由主機(jī)每1mS遞增1.

到達(dá)最大值0x7FFH時(shí)繞回，只有SOF包中有。

SOF包在低速全速時(shí)是1mS發(fā)一次，

高速則是125uS發(fā)一次，注意只有1mS才子等一次，即一個(gè)微幀內(nèi)不遞增，也就是8個(gè)SOF才遞增一次。

3.5數(shù)據(jù)域

數(shù)據(jù)域范圍從0到1024字節(jié)，不同速度不同端點(diǎn)類型長(zhǎng)度不一樣，低字節(jié)先發(fā)

不同速度不同端點(diǎn)類型包長(zhǎng)如下表

3.6校驗(yàn)域

校驗(yàn)區(qū)域采用CRC校驗(yàn)，保護(hù)非PID區(qū)域，這里為什么不包括PID呢? 因?yàn)镻ID自帶校驗(yàn)了。

注意:CRC是在bit填充之前生成的，帶CRC的結(jié)果之后才是bit填充，接收是先bit填充恢復(fù)，然后才是CRC計(jì)算。這個(gè)很好理解bit填充是硬件層對(duì)于信號(hào)編碼的處理，所以是最后一步，CRC是協(xié)議層的內(nèi)容肯行在前。

對(duì)于CRC錯(cuò)誤的丟棄該部分?jǐn)?shù)據(jù)，一般就是整個(gè)包。

Token的CRC

對(duì)IN，SETUP和OUT包的ADDR ENDP部分

SOF包的時(shí)間戳部分

PING和SPLIT包的ADDR ENDP部分

進(jìn)行5位CRC校驗(yàn)。

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

數(shù)據(jù)的CRC

數(shù)據(jù)包使用16位CRC，對(duì)數(shù)據(jù)域進(jìn)行校驗(yàn)

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(jī)才能發(fā)令牌包，為什么呢？ 因?yàn)閁SB架構(gòu)是主從架構(gòu)的，只有主機(jī)發(fā)起通訊，即由令牌包開始，從機(jī)才能會(huì)響應(yīng)，否則這么多設(shè)備一起啟動(dòng)發(fā)送就會(huì)亂套了。哪怕是設(shè)備要發(fā)送數(shù)據(jù)也是必須要主機(jī)發(fā)IN令牌包，從機(jī)才能響應(yīng)。

令牌和SOF包由數(shù)據(jù)之后三字節(jié)的EOP間隔。如果一個(gè)數(shù)據(jù)包解碼為非有效的令牌或SOF沒(méi)有有效的EOP終止，則它必須被視為無(wú)效包被忽略。

4.2SOF包

全速時(shí)1.00 ms ±0.0005 ms 發(fā)一次SOF包

高速則125 μs ±0.0625 μs 發(fā)一次

SOF包不需要響應(yīng)。

SOF包由主機(jī)或者HUB發(fā)送

注意高速的微幀內(nèi)幀序號(hào)是不遞增的，只有下一個(gè)ms才遞增，可以通過(guò)判斷幀號(hào)的遞增來(lái)同步到該微幀是1ms內(nèi)的第一個(gè)微幀，接下來(lái)的是剩余的7個(gè)。

4.3數(shù)據(jù)包

數(shù)據(jù)包有以下幾種

DATA0，DATA1，DATA2，MDATA

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

DATA1-DATA0用于傳輸翻轉(zhuǎn)差錯(cuò)控制

不同速度的不同傳輸類型包長(zhǎng)不一樣進(jìn)前面的說(shuō)明。

4.4握手包

握手包用于數(shù)據(jù)傳輸時(shí)報(bào)告狀態(tài), 反應(yīng)數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)是不需要握手的，因?yàn)槠渥⒅貙?shí)時(shí)性，不管可靠性，IN和OUT數(shù)據(jù)之后對(duì)方收沒(méi)收到不管，好比UDP和TCP的區(qū)別。

例如如下的ISO的IN，設(shè)備返回?cái)?shù)據(jù)后主機(jī)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(guī)格書的第8章的不同傳輸?shù)耐負(fù)鋱D，比如對(duì)于中斷傳輸?shù)腎N設(shè)備可能回NAK和STALL。

4.4.1ACK

ACK由數(shù)據(jù)的接收方回，表示數(shù)據(jù)被接收且沒(méi)有任何錯(cuò)誤。

4.4.2NAK

NAK用于流控，由設(shè)備回，注意主機(jī)不能回NAK。

表示數(shù)據(jù)沒(méi)有準(zhǔn)備好，或者不能接收數(shù)據(jù)。

4.4.3STALL

STALL由設(shè)備回，表示不能收發(fā)數(shù)據(jù)，或者指定的請(qǐng)求不支持。

主機(jī)不能回STALL。

在端點(diǎn)相關(guān)的特征Halt之后，再請(qǐng)求端點(diǎn)相關(guān)的特征則回STALL。

還有就是控制傳輸時(shí)可能回STALL，具體參考規(guī)格書中各種傳輸?shù)耐負(fù)鋱D。

4.4.4NYET

只有高速有，

PING協(xié)議中對(duì)數(shù)據(jù)包回NYET表示本包接收，不能繼續(xù)接收下一包。

HUB在split傳輸時(shí)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(bào)告全速/低速總線上的錯(cuò)誤。

規(guī)格書8.4.6章節(jié)對(duì)響應(yīng)有一個(gè)總結(jié)，

IN傳輸設(shè)備的響應(yīng)

IN傳輸主機(jī)的響應(yīng)，可以看到主機(jī)不能NAK要不就是ACK要不就是不響應(yīng)。

OUT傳輸設(shè)備響應(yīng)

設(shè)備對(duì)SETUP的響應(yīng)

設(shè)備不能對(duì)SETUP和其數(shù)據(jù)做STALL和NAK響應(yīng)，要么就是ACK要么就是不響應(yīng)。

4.5SPLIT相關(guān)令牌包

這部分內(nèi)容也比較多，后面單獨(dú)一篇講。

五.總結(jié)

熟悉USB包的格式，是后面查看協(xié)議分析儀，示波器抓波形分析等基礎(chǔ)，所以需要了解。USB報(bào)的格式?jīng)]有什么特殊，和其他協(xié)議套路都是一樣的，要從抽象的結(jié)構(gòu)去理解。

審核編輯：湯梓紅