数据包的结构及传输过程

今天我们来详细地说说数据包的结构以及它们的传输过程。USB是串行总线,所以数据是一位一位地在数据线上传送的。既然是一位一位地传送,就存在着一个数据位先后的问题。usb使用的是LSB在前的方式,即先出来的是最低位数据,接下来是次低位,最后是最高位(MSB)。一个包,又被分成了很多个域(field),而LSB、MSB就是以域为单位来划分的。

前面说过,USB数据在发送到总线上之前,要先经过位填充,再经过NRZ1编码。在这里讨论时,所用的数据都是原始的数据,即没有经过位填充和NRZ编码的原始数据。以后也是如此,凡是没有明确说明是位填充或NRZI编码过的数据,默认为原始的数据。另外还有一个数据传输方向的问题,因为在USB系统中,主机处于主导地位,所以把从设备到主机的数据叫做输入,从主机到设备的数据叫做输出。

USB总线上传输数据是以包为基本单位的。一个包被分成不同的域。根据不同类型的包,所包含的域是不一样的。但是不同的包有个共同的特点,就是都要以同步域开始,紧跟一个包标识符PD( Packet Identifier),最终以包结束符EOP(End Of Packet)来结束这个包。

同步域是用来告诉USB的串行接口引擎数据要开始传输了,请做好准备。除此之外,同步域还可以用来同步主机端和设备端的数据时钟,因为同步域是以一串0开始的,而0在USB总线上就被编码为电平翻转,结果就是每个数据位都发生电平变化,这让串行接口引擎很容易就能恢复出采样时钟信号;对于全速设备和低速设备,同步域使用的是0000001(二进制数,线上的发送顺序);对于高速设备,同步域使用的是31个0,后面跟1个1(需要注意的是,这是对发送端的要求,接收端解码时,0的个数可以少于这个数)。

图1是一个全速或者低速USB数据包的同步域经过NRZ编码后的波形。这个波形有7次电平翻转,即对应着7个0,最后一个电平不翻转,即对应着1个1当串行接口引擎检测到一个位的数据未发生翻转后(即收到数据1),就认为包标识符PID开始了,如图1.9.1中的PID0PD1,就是包标识符的最低两位。

图1 全速设备和低速设备的同步域

包结束符EOP,对于高速设备和全速/低速设备也是不一样的。全速/低速设备的EOP是一个大约为2个数据位宽度的单端0(SE0)信号。SE0的意思就是,D+和D同时都保持为低电平。由于USB使用的是差分数据线,通常都是一高一低的,而SE0不同,是一种都为低特殊的状态。SE0用来表示一些特殊的意义,例如包结束、复位信号等。前面提到USB集线器对USB设备进行复位的操作,就是通过将总线设置为SE0状态大约10ms来实现的。对于高速设备的EOP,使用故意的位填充错误来表示。那么如何判断一个位填充错误是真的位填充错误还是包结束呢?这个由CRC校验来判断。如果CRC校验正确,则说明这个位填充错误是EOP;否则,说明传输出错。具体的定义请参看USB协议,这里只要知道有EOP这么一个东西就行了。

包标识符PID是用来标识一个包的类型的它总共有8位,其中USB协议使用的只有4位(PID~PID3),另外4位(PI4~PID7)是PID~PD3的取反,用来校验PID。USB协议规定了4类包,分别是令牌包(token packet,PD1~0为01)、数据包( data packet,pid1~0为11)、握手包(handshake packet,piD~0为10)和特殊包( special packet,PiD1~0为00)。不同类的包又分成几种具体的包。图2 是USB2.0协议中规定的各种PID,其中有些是在USB1.1协议中没有的,用号标出。

图2 USB2.0中定义的各种PID

以上是数据包的结构以及它们传输的过程,今天的分享就到这里。

往期回顾：

●USB的四种传输类型之控制传输

●指针和数组的恩恩怨怨

●USB的四种传输类型之中断传输等时传输