數(shù)據(jù)包的結(jié)構(gòu)及傳輸過(guò)程

今天我們來(lái)詳細(xì)地說(shuō)說(shuō)數(shù)據(jù)包的結(jié)構(gòu)以及它們的傳輸過(guò)程。USB是串行總線,所以數(shù)據(jù)是一位一位地在數(shù)據(jù)線上傳送的。既然是一位一位地傳送,就存在著一個(gè)數(shù)據(jù)位先后的問(wèn)題。usb使用的是LSB在前的方式,即先出來(lái)的是最低位數(shù)據(jù),接下來(lái)是次低位,最后是最高位(MSB)。一個(gè)包,又被分成了很多個(gè)域(field),而LSB、MSB就是以域?yàn)閱挝粊?lái)劃分的。

前面說(shuō)過(guò),USB數(shù)據(jù)在發(fā)送到總線上之前,要先經(jīng)過(guò)位填充,再經(jīng)過(guò)NRZ1編碼。在這里討論時(shí),所用的數(shù)據(jù)都是原始的數(shù)據(jù),即沒(méi)有經(jīng)過(guò)位填充和NRZ編碼的原始數(shù)據(jù)。以后也是如此,凡是沒(méi)有明確說(shuō)明是位填充或NRZI編碼過(guò)的數(shù)據(jù),默認(rèn)為原始的數(shù)據(jù)。另外還有一個(gè)數(shù)據(jù)傳輸方向的問(wèn)題,因?yàn)樵赨SB系統(tǒng)中,主機(jī)處于主導(dǎo)地位,所以把從設(shè)備到主機(jī)的數(shù)據(jù)叫做輸入,從主機(jī)到設(shè)備的數(shù)據(jù)叫做輸出。

USB總線上傳輸數(shù)據(jù)是以包為基本單位的。一個(gè)包被分成不同的域。根據(jù)不同類型的包,所包含的域是不一樣的。但是不同的包有個(gè)共同的特點(diǎn),就是都要以同步域開(kāi)始,緊跟一個(gè)包標(biāo)識(shí)符PD( Packet Identifier),最終以包結(jié)束符EOP(End Of Packet)來(lái)結(jié)束這個(gè)包。

同步域是用來(lái)告訴USB的串行接口引擎數(shù)據(jù)要開(kāi)始傳輸了,請(qǐng)做好準(zhǔn)備。除此之外,同步域還可以用來(lái)同步主機(jī)端和設(shè)備端的數(shù)據(jù)時(shí)鐘,因?yàn)橥接蚴且砸淮?開(kāi)始的,而0在USB總線上就被編碼為電平翻轉(zhuǎn),結(jié)果就是每個(gè)數(shù)據(jù)位都發(fā)生電平變化,這讓串行接口引擎很容易就能恢復(fù)出采樣時(shí)鐘信號(hào);對(duì)于全速設(shè)備和低速設(shè)備,同步域使用的是0000001(二進(jìn)制數(shù),線上的發(fā)送順序);對(duì)于高速設(shè)備,同步域使用的是31個(gè)0,后面跟1個(gè)1(需要注意的是,這是對(duì)發(fā)送端的要求,接收端解碼時(shí),0的個(gè)數(shù)可以少于這個(gè)數(shù))。

圖1是一個(gè)全速或者低速USB數(shù)據(jù)包的同步域經(jīng)過(guò)NRZ編碼后的波形。這個(gè)波形有7次電平翻轉(zhuǎn),即對(duì)應(yīng)著7個(gè)0,最后一個(gè)電平不翻轉(zhuǎn),即對(duì)應(yīng)著1個(gè)1當(dāng)串行接口引擎檢測(cè)到一個(gè)位的數(shù)據(jù)未發(fā)生翻轉(zhuǎn)后(即收到數(shù)據(jù)1),就認(rèn)為包標(biāo)識(shí)符PID開(kāi)始了,如圖1.9.1中的PID0PD1,就是包標(biāo)識(shí)符的最低兩位。

圖1 全速設(shè)備和低速設(shè)備的同步域

包結(jié)束符EOP,對(duì)于高速設(shè)備和全速/低速設(shè)備也是不一樣的。全速/低速設(shè)備的EOP是一個(gè)大約為2個(gè)數(shù)據(jù)位寬度的單端0(SE0)信號(hào)。SE0的意思就是,D+和D同時(shí)都保持為低電平。由于USB使用的是差分?jǐn)?shù)據(jù)線,通常都是一高一低的,而SE0不同,是一種都為低特殊的狀態(tài)。SE0用來(lái)表示一些特殊的意義,例如包結(jié)束、復(fù)位信號(hào)等。前面提到USB集線器對(duì)USB設(shè)備進(jìn)行復(fù)位的操作,就是通過(guò)將總線設(shè)置為SE0狀態(tài)大約10ms來(lái)實(shí)現(xiàn)的。對(duì)于高速設(shè)備的EOP,使用故意的位填充錯(cuò)誤來(lái)表示。那么如何判斷一個(gè)位填充錯(cuò)誤是真的位填充錯(cuò)誤還是包結(jié)束呢?這個(gè)由CRC校驗(yàn)來(lái)判斷。如果CRC校驗(yàn)正確,則說(shuō)明這個(gè)位填充錯(cuò)誤是EOP;否則,說(shuō)明傳輸出錯(cuò)。具體的定義請(qǐng)參看USB協(xié)議,這里只要知道有EOP這么一個(gè)東西就行了。

包標(biāo)識(shí)符PID是用來(lái)標(biāo)識(shí)一個(gè)包的類型的它總共有8位,其中USB協(xié)議使用的只有4位(PID~PID3),另外4位(PI4~PID7)是PID~PD3的取反,用來(lái)校驗(yàn)PID。USB協(xié)議規(guī)定了4類包,分別是令牌包(token packet,PD1~0為01)、數(shù)據(jù)包( data packet,pid1~0為11)、握手包(handshake packet,piD~0為10)和特殊包( special packet,PiD1~0為00)。不同類的包又分成幾種具體的包。圖2 是USB2.0協(xié)議中規(guī)定的各種PID,其中有些是在USB1.1協(xié)議中沒(méi)有的,用號(hào)標(biāo)出。

圖2 USB2.0中定義的各種PID

以上是數(shù)據(jù)包的結(jié)構(gòu)以及它們傳輸?shù)倪^(guò)程,今天的分享就到這里。

往期回顧：

●USB的四種傳輸類型之控制傳輸

●指針和數(shù)組的恩恩怨怨

●USB的四種傳輸類型之中斷傳輸?shù)葧r(shí)傳輸