USB 到底是如何通信的（三）？

来源：公众号【鱼鹰谈单片机】

作者：鱼鹰Osprey

ID ：emOsprey

昨天发了一通牢骚《不接广告行不行？不接广告你养我吗？》，感谢各位道友的支持与理解，不过牢骚归牢骚，还是需要继续更新的，不管外界如何，这个系列鱼鹰肯定要更新完的。

前两周，我们知道了为什么要学 USB，还有介绍了 USB 的整体情况：

《为什么说你要学习USB?（一）》

《USB 之概述》

今天，鱼鹰再介绍一下USB是如何通信的，即如何通过两根数据线完成通信呢（也就是上图中的最底层通信）？

USB通信格式

前面简单提到过，USB接口最少有四根线连接，其中有两根是数据线，而所有的USB数据传输都是通过这两根线完成的，那么它是怎么做到的？

我们知道，串口为了实现通信，规定了起始位、停止位，有时候也可能增加奇偶校验位，如果你知道了串口的波特率，那么你就可以正确的接收到发送方发来的数据。

那么USB应该也有相应的通信格式要求才对，那么它的格式是怎么样的？

因为 USB 通信远比串口复杂的多，所以本节内容不会面面俱到，更多的是为后面的学习提供基础，因此有些内容不会展开描述，感兴趣的可以查找相应的资料学习。

串口中高电平代表1，低电平代表0，并且是全双工通信，即可以同时发送和接收数据。

而 USB 有所不同，它虽然也有两根数据线，但它们却是采用差分传输，即需要两根数据线配合才能传输一个bit，因此是半双工通信，同一时间只能发送或者接收。

首先我们需要了解一下差分 0 和差分 1 这两种状态：

差分1：数据线 D+ 为高电平， D- 为低电平时为差分 1；

差分0：数据线 D+ 为低电平， D- 为高电平时为差分 0。

但是要注意的是，这里的差分0、差分1可不是代表数据0和1，而仅仅只是数据线表现的状态，和真正的数据还有距离。

USB 规定，如果电压电平不变，代表逻辑1；如果电压电平变化，则代表逻辑0，这就是 NRZI （Non-Return-to-Zero Inverted Code）编码（关于这个编码感兴趣的可以看次条文章）。

看下图进行理解：

USB不通信时，数据线处于闲置状态（类似于串口的高电平闲置），一旦需要开始通信，首先切换到K状态（类似串口的起始位），再进行实际的数据传输，在这里传输的数据为 000011，实际的数据线状态为差分101000，传输完毕后需要发送结束信号EOP：2位的 SE0，再加 1 位的J状态（类似串口的停止位）。

这里只是简单的说明，实际上的数据传输比这个还要复杂一些，但大体是一致的（上述可能会有误，毕竟鱼鹰没有使用示波器查看过，通过资料进行理解的）。

并且需要注意的是，上述描述的闲置状态和J、K等状态和设备类型有关，即全速设备和低速设备这些状态的定义不同（这个可能和设备数据线的上拉电阻位置相关）。

（来源于cypress AN57294）

采用 NRZI 编码的好处是可以不需要时钟线进行同步，但是为了实现准确的采样，需要两个条件：

1、数据传输前需要发送同步域（SYNC），这个域固定为 0000 0001，通过NRZI编码后就是一串方波信号，接收者可以通过方波信号确定采样率（可以认为是串口的波特率）。

2、因为数据中有大量的0，可以让接收者通过信号的变化不断调整采样频率，但是如果刚好数据中没有0怎么办？

一旦有大量的1存在于数据线上，那么数据线的电平将长时间不会发生变化，也就无法进行速率的同步，一旦接收者和发送者各自的时钟频率存在误差，那么很可能因为长时间没有电平变化而导致采样失败（误差长时间累积），所以 bit-stuffing 出现了，即所谓的强制插 0。

USB规定，6个连续的逻辑 1 之后需要插入一个逻辑0来实现位填充，这样D+和D-就会发生变化，从而让接收者实现时钟同步。

在接收时，只要将6个逻辑1后的0删除就可以恢复数据。

（来源于cypress AN57294）

可以看到，6个连续的1之后强制插入了一个0进去，这样即使接收方和发送方各自的时钟存在误差，也可以通过信号的变化实时同步，从而准确的进行采样。

以上内容就是 USB 为什么只需要两根线就能进行快速进行数据传输的关键。

USB 数据包

下面再来聊聊数据包：

前面这张图介绍了如何通过 USB 数据线传输000011 数据，事实上在 USB 中，所有的数据都是以包（Packet）的形式进行传输的，而数据包是有一定的格式，也就是说，为了传输00011，需要按照包的格式才能正确传输。

数据包有如下组成部分：

(来源于 ST 资料)

首先是 SOP（即从闲置状态到K状态），然后是 SYNC，即前面提到的同步域，用于接收方的时钟同步，其次才是我们需要传输的数据内容，最后是 EOP（2位 SE0，1位J状态）。

如此，你的数据（PacketContent）才能被接收方正确接收。

数据包分为四大类：

令牌 (Token) Packet

帧首 (Start of Frame) Packet

数据 (Data) Packet

握手 (Handshake) Packet

每一类又可能分为多种具体的数据包，比如令牌包分为OUT、IN、SETUP等数据包，

每一类中的 Packet Content 内容可能是不一样的，比如：

令牌 (Token) Packet

（灰色部分代表不存在）

帧首 (Start of Frame) Packet

（灰色部分代表不存在）

数据 (Data) Packet

（灰色部分代表不存在）

握手(Handshake) Packet

（灰色部分代表不存在）

为什么要缺斤少两呢？或许和数据包的功能有关，毕竟有些内容在有些包中是不需要存在的，那为什么还要加入传输增加总线的负担呢。

以上具体的内容可以查看鱼鹰提供的资料，比如 CRC 是怎么计算的，帧号里面的内容是怎样的？

对于软件开发而言，我们可以不必关心这么多，只要我们能正确的从相关寄存器中获取我们想要的数据即可，也就是我们需要知道当前令牌是什么，传输的数据是什么就可以了，其他的可以在学完整个 USB 后自行深入了解。

下一章节，鱼鹰将介绍 USB 的四大传输，即控制、中断、同步、批量传输，同时介绍四大传输和数据包的关系，半双工的通信是如何工作的。

敬请期待！