USB协议详解第19讲（USB包-包的组成及分类）

1.包的组成

下面这张图为包的组成结构，由SOP、SYNC、Packet Content、EOP四部分组成，其中Packet Content最为核心，Packet Content由PID、地址、帧号、数据、CRC组成。

1.SOP域（Start Of Packet）

通过将D +和D-线从空闲状态驱动到相反的逻辑电平（K状态），由始发端口发信号通知分组的开始（SOP）。 此开关级别表示SYNC字段的第一位。 当重新传输到小于±5 ns时，集线器必须限制SOP第一位宽度的变化。 通过将通过集线器的标称数据延迟与集线器的输出使能延迟相匹配，可以最小化失真。

2.SYNC（同步域）

SOP域之后就是同步域（SYNC）的开始，全速/低速设备SYNC被定义长度为8位（0000 0001），高速长度定义为32位（0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0001）。 注意，这个长度是对发送端的要求。下图是一个全速/低速设备，经过NRZI编码后的波形。SYNC域中的最后两位是一个标记（电平未翻转，即受到数据1），用于标识SYNC域的结束和PID域的开始。

3.PID域（Packet Identifier Field）

数据包标识符(PID)域紧跟在同步域之后。 PID由4位类型字段和4位校验字段组成，如下图所示。类型字段主要是标识本包的类型，校验字段主要是对类型字段进行校验。为了确保接收端正确解码并识别包类型，发送端会对4位类型字段的每1位取补码赋值到4位校验字段里面，接收端也会进行校验操作，如果4位PID校验位不是它们各自的分组标识符位的补码，则存在PID错误。

4位类型字段标识的所有包类型如下：

4.地址域

使用两个字段来处理功能端点：设备地址字段和端点地址字段。 任一字段上的不匹配设备都必须忽略该令牌， 访问非初始化端点设备也必须忽略该令牌。

（1）设备地址字段

如下图，ADDR<6:0>总共可访问128个地址。

（2）端点地址字段

如下图， 低速设备每个功能最多支持三个管道，端点号为零的控制管道加上两个额外的管道（两个控制管道，一个控制管道和一个中断端点，或两个中断端点），全速和高速每个功能最多可支持16个IN和OUT端点。

（3）地址域总结

地址是由两个地址构成，设备地址+端点地址

5.帧号域

（1）帧和微帧

帧号域是11比特字段，其由主机在每帧的基础上递增。 帧号字段在达到其最大值7FFH时翻转，并且仅在每个帧（微）SOF令牌包发送并累加，说白了就是限时当前USB发了多少帧了。

USB全速设备1ms产生一个帧，而高速设备每125us产生一个微帧，启动后永不间歇，如下图，图中SOF包中Frame标识了当前帧号。大家可以看我的另一篇文章USB帧和微帧剖析。

（2）帧号域总结

6.数据域

（1）数据域格式

数据域的范围可以是0到1024字节，并且必须是整数个字节，下图显示了多个字节的格式，每个字节内的数据位首先从LSB移出。

（2）数据域总结

根据不同的传输类型，定义如下一次最大传输量。

7.CRC域（循环冗余校验）

（1）令牌CRC

为令牌提供五位CRC字段，并覆盖IN，SETUP和OUT令牌的ADDR和ENDP字段或SOF令牌的时间戳字段。 PING和SPLIT特殊令牌还包括一个五位CRC字段。

生成多项式为： G（X）= X^5 + X^2 + 1

（2）数据CRC

数据CRC是应用于数据分组的数据字段的16位多项式。

生成多项式是：G（X）= X^16 + X^15 + X^2 + 1

表示该多项式的二进制位模式是1000000000000101B，如果没有错误地接收到所有数据和CRC位，则16位校验和将为1000000000001101B。

（3）CRC域总结

8.EOP域（End Of Packet）

全速或低速设备的结束包：SE0状态用于发信号通知分组结束（EOP）。 通过将D +和D-驱动到SE0状态两位时间，然后将线路驱动到J状态一位时间来发信号通知EOP。 从SE0到J状态的转换定义了接收器处的分组的结束。 J状态被置位一个位时间，然后D +和D-输出驱动器都处于高阻态。 总线终端电阻将总线保持在空闲状态。

注：SE0的意思是D+和D-都表示为低电平。

2.包的分类

每种类型的包组成会有所不同，按照组成所有的包会被分成帧首包SOF（Start of Frame）、命令包（Token）、数据包（Data）、握手包（Handshake）四大类型。

4种PID类型和4种包类型（按照组成分类）的区别如下，大家注意区分。