USB之基本协议和数据波形1

============= 本系列参考 =============

《圈圈教你玩USB》、《Linux那些事儿之我是USB》

协议文档：https://www.usb.org/document-library/usb-20-specification usb_20_20190524/usb_20.pdf

调试工具：Beagle USB 480 逻辑分析仪

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前言：

　　我们先不一上来讲USB大而全的协议规范文档，会让人退而却步，只要有协议，在数据传输上波形就有规律可循，翻译成数据，也先不管USB1.1/2.0等版本，因为最终的传输单元是一样的

一. 最基本传输单位 --包（packet）

1.电气信号：

　　a. 采用D+/D-差分信号传输， LSB在前， NRZI编码也就是0反转， 1不反转，遇到连续6个1强插一个0

　　b. 低速Lowspeed 1.5Mb/s，全速Fullspeed 12Mb/s，高速Highspeed 480Mb/s， USB1.1支持L/F USB2.0支持L/F/H USB3.0也支持L/F/H 同时支持OTG功能

　　c. OTG(on the go) 就是多了根ID线，用于判断主控器作Host还是device

　　d. L/F S采用电压传输（3.3v）， HS采用电流传输（等效电阻后示波器显示400mv）

　　e. 传输方向以Host为准，即IN表示device数据到Host， OUT表示Host数据到device

　　f. 插入上电波形分析（下面单独抽出来分析）

2. packet格式

　　　　　　SYNC同步域　　+　　PID域　　+　　数据域　　+　　CRC　　+　　EOP

　　a. 同步域： L/FS 固定00000001， HS前面31个0后一个1

　　b. PID占一个字节，高4bit是低4bit的反码，用于校验PID本身，而PID[3:0] 表示该packet的类型（协议文档8.3.1）：

　　　　打*表示USB1.1不支持的，而USB2.0全支持，这里要特别注意令牌包，任何事务传输，必须先发个令牌包说明意图，至于后面是否需要数据包还是握手吧取决事务类型（下面会说）

　　c. 数据域是可选的，取决PID是不是数据包（DATA0/1/2/M）　

　　d. CRC也是可选的， PID自校验，所以只对数据域校验，若数据域没有那CRC也没有，令牌包的数据域采用CRC5校验，数据包的数据域采用CRC16校验

　　e. EOP结束包，对于L/FS是两个数据位宽的SE0信号（D+/D-都是0），对于HS使用故意位填充表示（待具体解释）

　　f. 空闲状态，在SYNC同步域前和EOP后总线上处于空闲状态， L/FS是一根高电平一根低电平（也就是J或K状态，后面会讲）， HS是SE0表示空闲状态

　　g. SYNC同步域、EOP、CRC是硬件发射器自动添加和硬件接收器自动解析的，软件看到的只有PID域和数据域

2. packet类型

　　根据PID[3:0]可以将包的类型分成4类

　　a. 令牌包：一次USB传输必须首发令牌包，告知意图，同时后面数据表示跟哪个设备及端点通信，这点很重要，设想一下一个Host接了很多外设， Host发出的信号会到达所有hub和普通外设，如何避免串扰呢？

　　　　　　　　那就是总线某一时刻只有一个外设与Host通信，外设硬件接口只响应令牌包，因为令牌包的数据域表示设备的地址和端点地址，外设可以解析是否和自己匹配，如果是则响应（使能硬件接收数据），以及后续的数据包交互，如果不是

　　　　　　　　就不响应，当然后续的数据包也会被外设硬件屏蔽，不理会总线信号，除非一段时间后又检测到令牌包，再次进行地址匹配，符合才使能硬件接收总线上的信号

　　　IN OUT SETUP 包的数据域包含7bit设备地址和4bit端点地址，所以一个Host能够最多接127个设备（0是外设刚插入时的默认地址，握手后必须赋值非0，不然下一个设备也是0就冲突了），一个设备端点最多只能16个（端点0是必须的，所以其他最多15个）

　　　SOF（帧起始包）相当于心跳包，让所有外设知道Host还在活动（哪怕Host不是跟该设备通信但起码知道跟其他设备通信）， L/FS每隔1ms发一次，每发一次11bit帧号加1， HS把1ms分割8份即每隔125us发一次，但这8份里面的11bit帧号是相同的

　　　　这个心跳包主要用于休眠唤醒用的，当Host没有发SOF超过3ms时（一般是Host自己进入休眠或者想外设休眠），外设设置自己进入低功耗状态（如果支持），然后进入监听模式如果检测到总线有信号变化（只要跟睡眠前不一样）立即唤醒，

　　可能是Host要召唤设备了，当然设备也可以唤醒Host， Host进入休眠也会设置监听总线状态，外设被人为唤醒改变总线信号接着唤醒Host

　　b. 数据包：这没啥好说的就是PID表明自己是数据包（DATA0还是DATA1主要用于确保对方收到），后面就是字节数据了，这里需要注意就是没有告知这个数据包到底多少个数据，所以我猜想外设接收PID域后，每接收一个字节counter计数器加1

　　　　　　　　直到EOP，然后减2 CRC16校验值就是数据量，接着对FIFO数据CRC16和最后两个字节对比，不一致就产生数据错误中断，一致就产生数据成功中断并将数据量填充RX counter寄存器

　　c. 握手包：告知对方状态，比如Host发送IN令牌包，接着设备发送数据包，然后Host接收完发送ACK握手包告知设备成功接收

　　　　不用数据域！

　　d. 特殊包主要用于高速，比如上面Host发完IN令牌包后，设备应该要发数据包的，但设备还没准备好数据，导致Host等待超时， Host可以再次发IN包让设备进入发送数据， Host切换等待接收数据状态，

　　　　这里有两个小问题，一是设备数据未准备好，却没有有效方式告知Host，只能啥都不做靠超时告知，浪费Host时间，二是IN包让设备进入发送数据模式，设备有数据早发了还等你吹，还让外设进入发送模式影响准备数据

　　　　而PING特殊包就是当第一次超时后， Host不发IN包改发PING包询问设备准备好没，设备若准备好了回复ACK握手包，接着Host再发IN包，如果还没准备好就发NAK告知， Host就知道设备还没准备好而不用死等超时，

　　　　其他几个读者可自行查阅

　　总结：总线是一个一个packet传输的，且信号达到所有外设，当发送SYNC域所有外设接收并调整时钟采样点做好同步，接着解析PID域，如果是非令牌包就不理会（只有已被选中的外设才理会），如果是令牌包就解析后面地址是否和自己匹配，

　　　　　　不匹配继续不会理，匹配的使能硬件接收数据功能，并根据PID是IN OUT SETUP SOF再细分，如果是OUT，产生OUT中断，软件应该清空使能FIFO准备接收数据，如果是IN，产生IN中断，软件要填充好即将发的数据然后使能端点发送，

　　　　　　如果是SETUP包（Host会接着发DATA0数据包数据域包含8个字节的标准请求），设备要清空特殊FIFO并做好接受下一个数据，接受完才产生SETUP中断，软件就解析FIFO里的8byte标准请求，然后准备数据，比如是获取设备描述符请求

　　　　　　那软件得准备好设备描述符缓存并ACK（必须ACK不能NAK）回复，然后Host会发IN包，接着设备IN中断将刚才准备好的设备描述符缓存丢到端点0发出去！

　　　　　　如果是SOF包，设备会重置时间计数器，当3ms内没有新的SOF包，就会产生中断，设备知道总线现在是空闲状态，可以自行决定是否休眠

二、事务--四种传输类型

　　一个个packet只是一盘散沙，通过组织起来作为一个有效传输我们称之为事务，所以一个事务起码包含：

　　一个令牌包，通过地址选中具体外设

　　可选的数据包，如果是IN/OUT/SETUP包那后续有数据包，如果是 SOF则数据包和握手吧都没有

　　可选的握手包，像视频聊天这种实时传输不需要ACK应该，丢了就丢了，省下带宽不如用来发数据

　　因此，根据具体的使用场景，事务可以分成四种传输类型：

1. 批量传输（Bulk transfers ）

　　一个批量事务包含三个阶段，令牌包阶段 + 数据包阶段 + 握手包阶段，其中数据包阶段可以发一个或多个数据包

　　以Beagle USB 480 逻辑分析仪抓U盘上电时序时为例，期间Host（PC机）会读取U盘数据（bluk传输），我们可以猜测应该发一个读取U盘根目录命令，然后读取扇区信息，如下：　　　　

　　一个读取扇区信息命令分别为 Command + Data + Status， Command是一个写操作，往设备发送数据告知想干嘛，然后就是读数据，最后检查状态，可以看到这些操作都由三个packet构成 IN/OUT令牌包 + 数据包 + 握手包

　　因为U盘每次操作只能512byte/block，所以想读取多个扇区只能分多次IN操作（传输最大字节数端点描述符有说明）

2. 中断传输（Interrupt transfers ）

　　一个中断事务跟批量事务类似，不同在于传输量比较少，且希望Host每隔一段时间来访问设备（不是靠硬件中断告知系统，而是端点描述符有个时间间隔变量，告知Host最好小于这个时间间隔来访问设备），像鼠标键盘都是这类传输模式，

　　以Beagle USB 480 逻辑分析仪抓键盘为例：

　　这里可以看出三点，一是Host每间隔x时间就发起一次读取键盘数据操作（还是老样子 IN包 + DATA0包 + ACK包）；二是如果我没敲键盘，则设备NAK告知Host没有数据；三是间隔时间约 72/10 344/44 = 8ms

　　查看键盘端点描述符bInterval=1，根据datasheet代表1ms，即键盘希望Host每隔1ms读取一次数据，但采不采纳在于Host端

3. 等时传输（Isochronous transfers ）

　　等时事务跟前两种也差不多，不同在于对时间敏感，对数据准确性不关心，所以不需要握手包，主要用于音频、视频类设备

4. 控制传输（Control transfers ）

　　控制传输稍微复杂一点，上面三个一个传输就是一个事务，但控制传输有三个状态，每个状态对应一个事务，所以需要三次事务

三次过程分别为：

　　建立过程：SETUP令牌包 + DATA0数据包（标准请求就在这） + ACK握手包（设备必须返回ACK，不能NAK 如果设备连这个都不能保证的话就别玩了）

　　数据过程：可选，如上面是获取设备描述符这里就是 IN令牌包 + DATA1数据包 + ACK握手包；如果是设置地址请求，地址在请求内部了，不需要数据过程

　　状态过程：上面的数据过程必须是同一个方向的，如果方向改变，则就是状态过程，如果没有数据过程，则这个数据包就是状态过程不管哪个方向

　　以Beagle USB 480 逻辑分析仪抓U盘为例：

　　从捕捉的数据可看到，建立过程的数据包包含着标准请求 80 06 00 01 00 00 12 00 （小端排序），前面的C3是PID，后面E0 F4 是CRC16，可以通过http://www.ip33.com/crc.html 验证

struct usb_ctrlrequest {

    __u8 bRequestType; //0x80

    __u8 bRequest;    //0x06

    __le16 wValue;     //0x100

    __le16 wIndex;    //

    __le16 wLength;  //0x12

} __attribute__ ((packed));
具体请参考协议文档9-4

　　上面log还有个有趣的现象：状态过程发送1字节0x00数据包， U盘竟然返回NAK，不知为何，由于是高速模式下，所以Host接下来会发PING包探测U盘是否ready，直到U盘回复ACK才再次发送OUT包，如果是L/FS则继续发OUT包直到接收ACK

剩余数据的解析将在下一篇博文讲解！