關(guān)于USB 2.0的數(shù)據(jù)傳輸方法的分析和介紹

普通的消費(fèi)者使用USB設(shè)備的時(shí)候是不需要了解USB本身到底是怎么回事的，實(shí)際上，這樣的人對(duì)USB到底是怎么回事都是處于無知的狀態(tài)。無知，同時(shí)又享受著USB帶來的便利，這種無知其實(shí)是很幸福的。

對(duì)于工程師來說，無知就常常意味著無能。你沒有辦法在無知的情況下進(jìn)行思考，自然也沒有辦法開展相關(guān)的工作，要想把它變成安生立命的基礎(chǔ)，或是僅僅滿足求知的欲望，那就唯有從了解開始學(xué)習(xí)，使自己成為有知的狀態(tài)，然后在遇到問題的時(shí)候就有了很好的思考基礎(chǔ)，從而能夠展開思考并且確定自己應(yīng)該采取的行動(dòng)，這樣才有可能從中獲得正面的結(jié)果。

USB的規(guī)范既要滿足已有應(yīng)用的需求，又要滿足不斷增加的帶寬要求，就從1.0版本發(fā)展到了3.0版本（雙向5Gbps），又在2013年進(jìn)入了3.1時(shí)代，最終把它的速度提升到了雙向10Gbps的水平。

雙向同時(shí)進(jìn)行的通訊是無法和USB 2.0以前的單一總線雙向輪流進(jìn)行的通訊方法兼容的，所以，USB 3.0以后的最大的變化并不是速度提高了，而是變成了雙總線的結(jié)構(gòu)：

為了持續(xù)兼容于過去的標(biāo)準(zhǔn)，很顯然，USB 2.0的總線將持續(xù)存在下去，我想這種狀況將持續(xù)到低速設(shè)備消亡以后才會(huì)發(fā)生改變。所以，首先認(rèn)識(shí)USB 2.0的做法將具有比較長久的價(jià)值。我們今天關(guān)注的重點(diǎn)是USB 2.0以前版本的數(shù)據(jù)傳輸方法。

實(shí)際有效的數(shù)據(jù)傳輸大多是通過二進(jìn)制的數(shù)據(jù)表達(dá)方式來進(jìn)行的，由于二進(jìn)制數(shù)據(jù)的每個(gè)位只有兩個(gè)狀態(tài)，其實(shí)現(xiàn)方法相對(duì)比較簡單。對(duì)于低速的數(shù)據(jù)傳輸來說，用高低不同的電壓信號(hào)就可以表達(dá)一個(gè)數(shù)據(jù)位的兩種狀態(tài)，其驅(qū)動(dòng)電路和接收電路都非常簡單。但是，USB是用于不同設(shè)備之間的遠(yuǎn)距離傳輸?shù)?，在這種情況下，用電壓傳遞信號(hào)變得很不可靠，所以，它采用了電流傳遞信號(hào)的方法。下圖是USB 2.0規(guī)范中提供的收發(fā)器接口電路示意圖：

一個(gè)典型的USB 2.0收發(fā)器就是由這樣的接口加上數(shù)據(jù)串并行轉(zhuǎn)換器、數(shù)據(jù)時(shí)鐘恢復(fù)電路以及一個(gè)ULPI（UTMI+ Low Pin Interface）接口和其它一些輔助電路構(gòu)成的。

為了在USB總線上傳遞信息，驅(qū)動(dòng)器的內(nèi)部會(huì)有一個(gè)電流源（標(biāo)稱值為17.78mA），它被一個(gè)高速開關(guān)輪流切換引導(dǎo)至D+或D-。當(dāng)電流被引導(dǎo)至D+時(shí)，它就對(duì)外表達(dá)了一個(gè)信號(hào)狀態(tài)J；如果電流被引導(dǎo)至D-，它對(duì)外表達(dá)的信號(hào)狀態(tài)是K。由J和K組成的信號(hào)序列來源于原始數(shù)據(jù)，它們之間是通過不歸零反向編碼的方法來進(jìn)行轉(zhuǎn)換的：

如上圖所示，以0和1組成的二進(jìn)制串行數(shù)據(jù)經(jīng)過NRZI編碼后形成的J/K序列送入前面圖中的LS/FS Driver或High Speed Current Driver，其輸出就呈現(xiàn)為總線上的連續(xù)不斷的數(shù)據(jù)流了。

如果要將電壓信號(hào)在傳輸線上進(jìn)行傳輸，由于傳輸線是有阻抗的，其信號(hào)幅度會(huì)隨著線路的延長而衰減，到了接收端，很可能信號(hào)幅度已經(jīng)變得不足以被檢出正確的數(shù)據(jù)了，而電流信號(hào)則不會(huì)有這個(gè)問題。當(dāng)然了，電流信號(hào)的傳輸也會(huì)受到線路阻抗的影響，其脈沖形狀也會(huì)發(fā)生變化，但相對(duì)來說就要更好些。
以我的直覺來看，除了傳輸?shù)目煽啃酝猓捎秒娏餍盘?hào)傳輸數(shù)據(jù)對(duì)于及時(shí)發(fā)現(xiàn)外設(shè)的接入和拔出非常有好處。由于發(fā)送器的輸出是電流源，當(dāng)沒有負(fù)載的時(shí)候，有電流輸出的端子就總是會(huì)處于高壓狀態(tài)，而當(dāng)負(fù)載接入的時(shí)候，其電壓馬上就降低了，這是非常方便檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)的。

要進(jìn)行通訊，收發(fā)兩端的同步是非常重要的。同步分為兩種，一種是數(shù)據(jù)位的同步，一種是數(shù)據(jù)包的同步。

位同步要求收發(fā)兩側(cè)要有同步運(yùn)作的時(shí)鐘，這個(gè)時(shí)鐘的信息是包含在NRZI編碼之中的。在數(shù)據(jù)與NRZI編碼的轉(zhuǎn)換過程中，一個(gè)為0的數(shù)據(jù)位將造成NRZI編碼的狀態(tài)發(fā)生變化，為1的數(shù)據(jù)位則不會(huì)。編碼發(fā)生變化的信息是很重要的，它正好對(duì)應(yīng)著信號(hào)發(fā)生變化的地方，接收端的數(shù)據(jù)時(shí)鐘恢復(fù)電路利用此信息將與發(fā)端同步的時(shí)鐘恢復(fù)出來，然后再延遲一點(diǎn)時(shí)間后讀入狀態(tài)信息，就可以得到與發(fā)端相同的J/K數(shù)據(jù)流，再經(jīng)過反向的NRZI編碼，原始數(shù)據(jù)就可以被恢復(fù)出來了。

由于NRZI編碼僅在數(shù)據(jù)為0的時(shí)候發(fā)生變化，如果長時(shí)間出現(xiàn)連續(xù)的1就會(huì)造成NRZI編碼持續(xù)處于一種狀態(tài)，其中便沒有了時(shí)鐘信息，數(shù)據(jù)時(shí)鐘恢復(fù)電路的時(shí)鐘輸出就可能失去與發(fā)端的同步。為了避免這個(gè)問題的發(fā)生，USB規(guī)范規(guī)定：如果數(shù)據(jù)串中連續(xù)出現(xiàn)了6個(gè)1，其后就要插入一個(gè)為0的數(shù)據(jù)位。這樣就可使接收器在7個(gè)數(shù)據(jù)位的傳輸時(shí)間內(nèi)至少會(huì)看到一次編碼信號(hào)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換，從而保證其時(shí)鐘恢復(fù)電路不至于丟掉同步狀態(tài)。當(dāng)然了，這些插入的數(shù)據(jù)需要在接收端再把它們消除掉以恢復(fù)原始數(shù)據(jù)。

一個(gè)含有多個(gè)連續(xù)1的原始數(shù)據(jù)包被插入0后再進(jìn)行編碼的過程如下圖所示，其中的Stuffed Bit箭頭所指的地方就是新插入的為0的數(shù)據(jù)位。

上圖中標(biāo)識(shí)為Sync Pattern的信息被稱為同步模板，它們的作用是告訴收方后面的信息就是我要發(fā)送的數(shù)據(jù)包了，所以它們所起的作用就是數(shù)據(jù)包的同步。如果沒有包同步，收方就不會(huì)知道信息是從何時(shí)開始的，因而不能正確地理解收到的信息。

LS/FS通訊的數(shù)據(jù)包同步信號(hào)是由3個(gè)KJ序列緊接2個(gè)K狀態(tài)構(gòu)成的，如下圖所示：

高速通訊的同步頭要長許多，它包含了15個(gè)KJ序列和緊接著的2個(gè)K狀態(tài)，總共有32個(gè)信號(hào)周期。考慮到高速通訊的速度提高了幾十倍，32個(gè)信號(hào)周期其實(shí)并不算太長。

USB總線上需要傳遞的數(shù)據(jù)可以分為4種類型：用于控制的數(shù)據(jù)，設(shè)備和主機(jī)之間的連接過程就需要傳輸這種數(shù)據(jù)（地址、端口編號(hào)等）；批量數(shù)據(jù)，主機(jī)與打印機(jī)、掃描儀之類的外設(shè)間的通訊以這類數(shù)據(jù)為主；中斷信息，這種信息的出現(xiàn)時(shí)間是不確定的，但又需要系統(tǒng)做出及時(shí)的響應(yīng)，這與MCU應(yīng)用中的中斷信號(hào)很類似；同步數(shù)據(jù)，它們?cè)跁r(shí)序上有嚴(yán)格的要求，而且需要按照一定的節(jié)奏進(jìn)行，一旦不同步，接收方的感覺就會(huì)很差，所以在傳輸時(shí)需要安排出足夠的帶寬與其配合，攝像頭、話筒等外設(shè)所拾取的信息用這種方式進(jìn)行傳輸就比較好。

USB屬于輪詢總線，所有的通訊都是在主機(jī)的控制下進(jìn)行的，外設(shè)只有在收到主機(jī)的詢問數(shù)據(jù)包時(shí)才可以進(jìn)行響應(yīng)，告訴主機(jī)自己沒有數(shù)據(jù)或是把它要發(fā)送的數(shù)據(jù)打包發(fā)給主機(jī)，主機(jī)在收到以后要進(jìn)行回應(yīng)，至少它得說明收到的信息是否正確吧，所以一次正常的通訊至少會(huì)有三個(gè)數(shù)據(jù)包需要傳輸。

USB規(guī)范把一個(gè)主機(jī)應(yīng)用和一個(gè)設(shè)備之間的傳輸通道稱為管道，這種管道并不真實(shí)存在，屬于一種邏輯實(shí)體。由于應(yīng)用眾多，外設(shè)也很多，所以可以有很多管道同時(shí)存在，這有點(diǎn)像現(xiàn)實(shí)中的物流系統(tǒng)的樣子。當(dāng)我向京東下了一個(gè)訂單的時(shí)候，我和京東之間就建立起了一個(gè)管道，京東將通過此管道把貨物送到我指定的地方，這個(gè)管道直到我收到貨物、京東也收到確認(rèn)信息以后才會(huì)消失。當(dāng)我需要京東的后續(xù)服務(wù)如退貨、返修之類的需求時(shí)，一條新的管道又會(huì)建立起來。而在我做這些事情的時(shí)候，也有其他人在和京東之間做著同樣的事情。這個(gè)物流系統(tǒng)與USB不一樣的地方是它不是輪詢式的，因?yàn)榫〇|不會(huì)主動(dòng)來詢問我要不要什么東西。但是，京東為了做成更多的業(yè)務(wù)，它會(huì)想辦法吸引我多去它那里選擇商品，這又屬于廣告性質(zhì)了，這有點(diǎn)像USB主機(jī)在總線上發(fā)布廣播信息：“我要關(guān)機(jī)了，你們大家配合一下?！敝劣谕庠O(shè)會(huì)不會(huì)配合，那是另外一回事了。