本文转自公众号欢迎关注
基于DWC2的USB驱动开发-USB包详解 (qq.com)

一.前言

不管什么通讯协议，比如UART，SPI，USB等等，不管是并口还是串口，不管是同步还是异步，我们从抽象的角度去看，其本质都是一样的。都是先定义物理信号，物理信号可能是差分，单端，电流驱动电压驱动等等，不管是什么样的物理信号，我们从抽象角度看就是不同的物理状态和数字1和0的对应， 这里的状态不一定是电压(虽然数字通讯大部分就是电压)，也可能是频率，相位等等，这里的状态也不一定是电平状态也可能是跳变状态，只要是有不同状态可以区分的都可以，甚至你可以自由发挥自我创造。这里的数字1和0即bit，至此我们就到了数字的世界，一切都是1和0的世界了，这个转化是由PHY的收发器完成的。bit再按照一定规则组成帧或者包，然后在包的基础上定义各层协议。任意的通信协议都不外呼上述的过程，USB也是如此。这样一看USB也没有那么可怕了，和我们用的UART等协议本质是一样的，只是物理层信号不一样，协议不一样而已。这一篇我们就来介绍协议层，底层相关的一些内容，这一篇主要关注USB的包，不涉及物理层信号，也不管位填充等等。

二.协议的一般约定

上面提到，协议都是建立在bit之上的，bit组成byte然后组成包或者帧。那么对于bit和byte在总线上的出现就有一个顺序的约定，对于bit先发低位即 LSb ，对于byte先发低字节即 LSB 。对于协议中的多字节数据域都是 小端模式 ，即低字节在低地址，总线上先发送。

三.包组成

前面提到了包就是一系列的1，0序列组成，但是为了协议能解析，包需要分成一些特定的区域以代表不同的功能。比如一些常见的协议一般都有同步域，头，负载，校验等部分。

USB也类似，下面就介绍USB包的组成部分，不同包类型可能由不同的部分扭组合而成。

3.1SYNC同步域

所有USB的数据包以一个SYNC同步区域开始，接收电路可以利用该区域进行时钟对齐。类似的CAN协议也有硬同步机制都差不多。所谓的硬对齐即通过一个特殊的状态(区别于正常的数据，比如一个长串的1，长串的0，任何可以区别于其他状态的都可以)来表示开始，然后以该开始状态后的一个时钟边沿作为对齐。

SYNC的最后两位用于标志SYNC的结束，承接PID的开始。

我们看到SYNC就是KJ对，所以有，边沿这样接收端就可以根据这些边沿进行和北部时钟同步，注意有意第一个KJ对有失真，所以不能用于同步。

SYNC是包的同步机制，不含协议层的有效信息，所以一般协议分析中就不会体现这部分了，只有硬件分析时才可能关注该部分，比如要示波器抓包则可以设置触发条件来触发到包头触发。

另外图中SYNC开始，即从Idle到K也叫SOP，表示包的开始。

3.1.1全速/低速

8位:3个KJ对加两个K，KJKJKJKK

如下所示

3.1.2高速

32位:15个KJ对加两个K,KJKJKJKJ KJKJKJKJ KJKJKJKJ KJKJKJKK .

当重复数据包时，集线器允许从SYNC开始最多丢弃4位,但不能破坏SYNC字段的任何重复位。因此，在被5个集线器重复之后，SYNC字段可以短至12位。

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

3.2包ID区域

SYNC后面就是PID区域，可以看到和我们通常的协议都是一个套路，比如我们使用串口自定义应用层协议，一般前面会用几个特殊字节作为同步域用于标志包的开头，如果用AA，55这种还可以用于时钟同步，波特率自适应。然后定义一个TYPE字段表示该包的作用和类型，这样看来USB也不过如此，这种套路我们早就用过很多了。

USB的PID定义如下，用于表示包的类型，

低4位为包类型编码，高四位为其取反用于校验，接收方如果校验低4位不是高4位的取反则为PID错误。对于编码类型位定义或者PID校验错误的包丢弃。

对于PID合法但是不符合预期的比如对IN端点收到了OUT令牌则不响应。

PID的编码如下，注意如下是按照高位在左，实际传输是低位先传输，注意观察下表

可以看到PID分为了4组，通过PID<0:1> 区分。

比如，以下为一个控制传输的实例，和上表对应,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点域。地址域必须完全独立匹配，不容许重名(别名)，不符合的SETUP必须忽略，访问未初始化的端点的SETUP也要忽略。

一个设备对应一个地址，地址有7位，所以可以寻址128个设备。

一个设备地址对应一个功能，默认设备地址是0，在枚举阶段，标准请求设置地址。

设备地址0即做枚举使用，不能分配给其他使用。

IN，STEUP，OUT，PING，SPLIT都需要带ADDR以表明是和哪个设备通讯。

ADDR后面是端点域,4位可以表示16个端点。所以可以到设备最多16个端点。

端点0用于控制传输是必须支持的，所以很多控制端点是默认使能的，不需要手动使能，

其他端点是功能相关。

SETUP，IN，OUT，PING都要带端点，表示和哪个端点通讯。

低速设备支持最多3个端点，控制端点0+两个端点(两个控制端点，控制端点+中断端点，或者两个中断端点)。

注意控制端点不一定要是端点0，也可以是其他端点，但是必须要有端点0的控制端点。

全速和高速设备支持最多16个IN和OUT端点。

3.4帧序号域

帧序号区域11位，由主机每1mS递增1.

到达最大值0x7FFH时绕回，只有SOF包中有。

SOF包在低速全速时是1mS发一次，

高速则是125uS发一次，注意只有1mS才子等一次，即一个微帧内不递增，也就是8个SOF才递增一次。

3.5数据域

数据域范围从0到1024字节，不同速度不同端点类型长度不一样，低字节先发

不同速度不同端点类型包长如下表

3.6校验域

校验区域采用CRC校验，保护非PID区域，这里为什么不包括PID呢? 因为PID自带校验了。

注意:CRC是在bit填充之前生成的，带CRC的结果之后才是bit填充，接收是先bit填充恢复，然后才是CRC计算。这个很好理解bit填充是硬件层对于信号编码的处理，所以是最后一步，CRC是协议层的内容肯行在前。

对于CRC错误的丢弃该部分数据，一般就是整个包。

Token的CRC

对IN，SETUP和OUT包的ADDR ENDP部分

SOF包的时间戳部分

PING和SPLIT包的ADDR ENDP部分

进行5位CRC校验。

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

数据的CRC

数据包使用16位CRC，对数据域进行校验

G(X) = X16+ X15+ X **2 ** + 1

四.各种包格式

4.1令牌包

PID可以是IN，OUT，SETUP，PING

只有主机才能发令牌包，为什么呢？ 因为USB架构是主从架构的，只有主机发起通讯，即由令牌包开始，从机才能会响应，否则这么多设备一起启动发送就会乱套了。哪怕是设备要发送数据也是必须要主机发IN令牌包，从机才能响应。

令牌和SOF包由数据之后三字节的EOP间隔。如果一个数据包解码为非有效的令牌或SOF没有有效的EOP终止，则它必须被视为无效包被忽略。

4.2SOF包

全速时1.00 ms ±0.0005 ms 发一次SOF包

高速则125 µs ±0.0625 µs 发一次

SOF包不需要响应。

SOF包由主机或者HUB发送

注意高速的微帧内帧序号是不递增的，只有下一个ms才递增，可以通过判断帧号的递增来同步到该微帧是1ms内的第一个微帧，接下来的是剩余的7个。

4.3数据包

数据包有以下几种

DATA0，DATA1，DATA2，MDATA

DATA1 DATA1 DATA0用于高带宽ISO传输，即一个微帧传3包则按照DATA2-DAT1-DATA0传输。

DATA1-DATA0用于传输翻转差错控制

不同速度的不同传输类型包长不一样进前面的说明。

4.4握手包

握手包用于数据传输时报告状态, 反应数据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数据是不需要握手的，因为其注重实时性，不管可靠性，IN和OUT数据之后对方收没收到不管，好比UDP和TCP的区别。

例如如下的ISO的IN，设备返回数据后主机是不需要回ACK的

握手包格式如下，只有PID域:

握手包有如下几种类型，具体什么情况回什么包，可以参考规格书的第8章的不同传输的拓扑图，比如对于中断传输的IN设备可能回NAK和STALL。

4.4.1ACK

ACK由数据的接收方回，表示数据被接收且没有任何错误。

4.4.2NAK

NAK用于流控，由设备回，注意主机不能回NAK。

表示数据没有准备好，或者不能接收数据。

4.4.3STALL

STALL由设备回，表示不能收发数据，或者指定的请求不支持。

主机不能回STALL。

在端点相关的特征Halt之后，再请求端点相关的特征则回STALL。

还有就是控制传输时可能回STALL，具体参考规格书中各种传输的拓扑图。

4.4.4NYET

只有高速有，

PING协议中对数据包回NYET表示本包接收，不能继续接收下一包。

HUB在split传输时也可能回NYET表示split船速和未完成或者不能处理split传输。

4.4.5ERR

只有高速HUB使用

用于报告全速/低速总线上的错误。

规格书8.4.6章节对响应有一个总结，

IN传输设备的响应

IN传输主机的响应，可以看到主机不能NAK要不就是ACK要不就是不响应。

OUT传输设备响应

设备对SETUP的响应

设备不能对SETUP和其数据做STALL和NAK响应，要么就是ACK要么就是不响应。

4.5SPLIT相关令牌包

这部分内容也比较多，后面单独一篇讲。

五.总结

熟悉USB包的格式，是后面查看协议分析仪，示波器抓波形分析等基础，所以需要了解。USB报的格式没有什么特殊，和其他协议套路都是一样的，要从抽象的结构去理解。

审核编辑：汤梓红