USB封包格式

1．起始（SOP）封包

　　根集线器会在每1 ms时，送出SOF封包。这介于2个SOF封包之间的时间，即称为帧（frame）。SOF封包虽是属于令牌封包的一种，但却具有独自的PID形态名称SOF。通常目标设各都利用SOF封包来辨识帧的起点。这个封包常用于等时传输。也就是在1 ms的帧（高速是125 μS微帧，将1 ms切成8份）开始时，等时传输会利用SOF激活传输并达到同步传输的作用。而在每一个帧开始时，SOF会传给所有连接上去的全速设各（包含集线器）。因此，SOF封包并不适用于低速设备。这个封包内包含了一个帧码，其可不断地递增，且在高达最大值时反转为0，重新再计

　　数一次。这个帧码是用来表示帧的计数值，因此，8个微帧都使用同一个帧码值。若必要时，高速设各可计算出SOF的重复使用次数，并计算出微帧的数量。通过缩短微帧的周期时间，便可减少高速设各对于缓冲存储器的需求。

　　如图1所示，高速的根集线器将会使用额外的SOF来传输8个微帧。有些书籍会把这种高速的SOF，另命名为uSOF。这种增加的微帧，同时也替高速的连接带来了更复杂的控制方式。

　　图1 USB帧与微帧示意图

　　此外，再利用如图2所示的简图来说明主机所送出的一个SOF封包的格式。其中，SOF的封包标识符，PID数据域的值为0xA5。PID［3：o］＝0101与PID［3：o］＝1010所产生的，只不过它的传送顺序须由LSB→MSB。因此，即可推算出0xA5。以下，所有的PID数据域皆可由此推算而得到。

　　图2 SOF封包的各种组成字段

　　图2显示了SOF封包的各种字段与相关的定义。

　　此外，端点可以通过SOF封包来加以同步，或是以帧码值来作为时间的参考依据。当整个USB总线上没有USB传输时，SOF封包也可避免让设备切人低功率的中止（suspend）状态。再者，虽然在低速设各上，是看不到SOF封包的，但相反，设各的集线器使用了前面所提及的BOP（End of－Packet）信号，且在每一个帧设置一次。因此，有时后也称这种信号为设各的低速存活（keep alive）信号。所以说，SOF／uSOF封包是给全速／高速设各来使用的，而低速存活信号却可避免让低速设备切入中止状态中。

　　2．令牌封包

　　由于USB的数据交易是由PC主机端所激活的，所以在每一个数据交易中，必须以下列的5个数据域所组合而成的令牌封包作为起始，并执行通信协议的前导工作。一个令牌封包含盖了5个数据域SYNC、PID、ADDR、ENDP与CRC5。这即是54233的第1个数字：5。如下所列为其令牌封包的各个组成的数据域。

　　令牌封包的PID数据域（PID［1：0］＝［0，1］）中包含了OUT、IN、SETUP这3种PID类型名称。也就是包含了OUT令牌封包、IN令牌封包以及SETUP令牌封包。例如，在执行控制传输主机要通过预设的地址取得设备描述符（Get￣Descriptor），就必须先执行下列的SETUP令牌封包，作为每一次控制传输的开始，其中，PID栏变成SETUP的PID类型名称（0xB4）。IN令牌封包，则是主机用来通知设备，将要执行数据输入的工作。而OUT令牌封包则刚好相反。

　　图3 显示了PC主机所起始的SETUP令牌封包。

　　图3  令牌封包的各种组成的字段

　　3．数据封包

　　在USB接口中，主机执行了总线的管理、数据传输以及设各对主机所提出的要求命令作出响应的动作。这些所要传输的数据与要求命令是什么呢？因此，必须通过数据封包来执行这项工作。

　　而由SETUP、IN与OUT令牌封包所起始的数据传输，将会以DATAO、DATA1、DATA2与MDATA封包来加以实现。一个数据封包含了4个数据域：SYNC、PID、DATA与CRC16。各个字段的意义之前已有介绍过。这即是54233的第2个数字：4。在这里，要稍微注意的是DATA字段内所放置的位值，须根据USB设各的传输设备（低速、高速与全速）以及传输类型（中断传输、批量传输与等时传输）而定，且须以所设置的MaxPackSize字节为基本单位。也即是，若传输的数据不足MaxPackSize字节，或是传输到最后所剩余的也不足MaxPackSize字节，则仍须传输MaxPackSize个字节的数据域。

　　列出由4个数据域所组合而成的数据封包。

　　数据封包的PID数据域（PID［1：0］＝［1：1］）包含了4种类型：DATA0、DATA1、DATA2与MDATA。而根据USB规范，最初的数据封包都以DATA0作为开始，其后才是DATA1，然后依此方式交替切换。这个动作称之为数据紧密连接（data toggle）。这个动作有点类似将数据紧密连接。如此就可确保整个传输过程中，主机能与设各维持同步，且作为帧错之用。例如，如果两个连续的DATA0被接收到的话，意味着DATA1封包被遗漏掉，并产生了错误的状况。而DATA2与MDATA，则仅适用于高速的等时传输。

　　若主机要针对特别寻址的设各端点，送出取得设各描述符的命令，就可如图4所示，将含有命令的数据封包传出。其中，须特别注意的是，由于是控制传输，所以数据域中仅有8字节。至于“8006 0001 000040”的设备要求的意义。

　　图4 数据封包的各种组成字段

　　4．握手封包

　　握手封包是最简单的封包类型。在这个握手封包中，仅包含一个PID数据域。它的格式如下所列，仅包含SYNC与PID两个数据域，这即是54233的第3个数字：2。

　　握手封包的PID数据域（PID［1：0］＝［1：0］）中包含了ACK、NAK、STALL与NYET这4种PID类型名称。也就是含有ACK、NAK、STALL与NYET握手封包。

　　延伸上一个图例，如果设备已收到主机要执行取得设备描述符的命令，设备就以握手封包来加以响应。因此须注意的是，如果设备已准备接收的话就以ACK握手封包响应；如果尚未就绪就使用NAK握手封包响应；如果发生错误而停滞，就使用STALL握手封包响应。图5显示一个握手封包的格式，其中ACK的PID数据域值为Ox4B，刚好与SETUP的PID数据域值相反。

　　图5 握手封包的各种组成字段

　　通过上述的3个封包，即可组成一个数据交易。当然，这即是54233的第4个数字：3。

　　对于高速设备，为了改善NAK的机制，特别支持了NYET握手封包。这是由于当数据已经传输至总线时，通过NAK这个OUT数据交易的动作是不够的。况且若是在总线上存在着高频率的NAK传输过程，将会使得整个总线逐渐地被拖累，带宽被分享掉。此时，高速设各就可以使用特殊的PING封包（稍后会提及）来询问，是否接收器还有缓冲区空间来接收OUT数据交易。如果设各以ACK来响应，那么传送器就会安排

　　OUT传输。反之，如果响应的是NYET，那么传送器就会以PING封包来查询。如此，总线上就会有最佳的使用率。

　　5．特殊封包

　　总共包含了4个特殊封包（PRE、ERR、SPLIT与PING）。其中，一个仅使用在低速设备，一个仅使用在高速设各，其余两个则是针对当低速或是全速设备连接上USB 2．0集线器后，再以高速的方式与主机通信时，才会用到。

　　（1）PRE封包

　　这个特殊前置（Special Preamble，PRE）封包拥有独自的PID类型名称PRE，其仅适用于主机想要从高速传输变成低速传输时所送出来的情形。也就是主机对于下端端口送出低速封包与低速设备通信之前，所必须先送出的PRE封包。在该PRE封包中，包含了前置码以告诉集线器，下一个封包是低速。如此，集线器将会以即将接上的低速设备开始执行通信的工作。此时，PRE封包会放在导引至低速设各的所有令牌、数据以及握手封包之前。而高速设各是将PRE以SPLIT封包来加以编码，因此不会重复地送出。对于原本已是低速的设备来说，不需要PRE封包。这种格式如下所列，仅包含两个8位的数据域：SYNC与PRE。

　　（2）PING封包

　　仅存于高速设备所使用的特殊封包是PING封包。主机会送出PING封包来找出是否高速设各端点在以批量或是包含以多个数据封包的控制传输来送出下一个数据封包之前，是否为忙碌的状态。这是由于传统的USB数据交易时，若常以NAK来响应批量或控制的OUT传输，通常都会导致浪费太多的带宽。因此，为了减少高速或控制的OUT端点的损失，USB 2．0新增了PING封包。一旦批量或控制传输的OUT数据交易被NAK响应后，主机控制器将会使用PING封包来查询高速非周期性的端点是否有足够的内存来接收wMaxPacketSize大小容量的数据。如果此端点具有足够的缓冲区来使用，就以ACK来响应之；反之，继续以NAK响应为止。

　　此外，高速非周期性的OUT端点也可以使用NYET来加以响应，以通知主机所要加载的数据是可以接收的，但是端点没有足够的内存。此时，主机会使用PING令牌，直到端点表示了针对下一个OUT数据交易，已有足够的缓冲区内存。

　　（3）SPLIT封包

　　SPILIT封包定义了令牌封包为分割数据交易（split transactIon）的一部分。为了最佳地使用总线时间，USB 2．0主机与集线器会以高速来送出低速与全速的通信数据。至于为什么需要分割数据交易呢？这是由于当主机开始传输一个针对低速或是全速的设各所预定的数据交易时，那么最接近设备的2．0集线器就有责任去实现与此设各的数据交易。此外，也负责存储任何回传的数据或是状态信息，以及以一个或是两个稍后的数据交易来加以回报回去。如此，整个总线就无须去针对实现一个低速的交易来持续地等待。而这个介于集线器与主机之间的特殊数据交易，就称之为分割数据交易。

　　（4）ERROR甚寸包

　　这个封包仅使用在分割数据交易时。2．0集线器会使用该封包并以低速或全速的数据交易来回报一个错误给主机。在此，读者是否发现该PID码值与PRE PID码值是一样的。但是其中，最大的差异是前者是应用在设各与集线器上，另一个则是应用在主机上。也即是集线器不会送出PRE封包给主机或是ERR封包给设各。

　　以下，将这些封包格式与字段等加以汇整，如表所列，并列出各个字段与其目的。

　　表 封包与字段之间的关系

　　续表