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Linux内核USB2.0驱动框架分析--USB包

news 来源：原创 2025/7/30 4:16:19

一，包的组成

每个包都由SOP（包起始域）、SYNC（同步域）、Packet Content（包内容）、EOP（包结束域）四部分组成，其中SOP、SYNC、EOP为所有包共有的域，Packet Content最为核心，不同类型的包由不同的Packet Content组成。
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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。
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1.1 包的内容：
包是USB总线上数据传输的最小单位，不能被打断或干扰，否则会引发错误。若干个数据包组成一次事务传输，一次事务传输也不能打断，属于一次事务传输的几个包必须连续，不能跨帧完成。一次传输由一次到多次事务传输构成，可以跨帧完成
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1.1.1 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。
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1.1.2 SYNC字段：
同步域，由8位组成，作为每个数据包的前导，用来产生同步作用，使USB设备与总线的包传输率同步，对于低速和全速设备，它的数值固定为00000001.该数据通过NRZI编码后，就是一串0101010的方波，而发送方波的频率，就是发送数据的波特率。对于高速设备，同步域使用的是31个0，后面跟随1个1.

1.1.3 PID字段：
用来表示数据封包的类型。包标识符的校验字段是通过对类型字段的每个位反码产生的，PID字符如下图所示：
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这里只用（PID0_4）,PID47是PID0~4的取反，用来校验PID

PID1~0：01 令牌包、11 数据包、10 握手包、00 特殊包

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其中PID传送的前两位（PID<0：1>指出了其属于哪个组），这说明了PID的编码分布。

1.1.4 数据字段：
用来携带主机和设备之间传递的信息，其内容和长度根据包标识符、传输类型的不同而各不同。在USB包中，数据字段可以包括设备地址、端点号、帧序列号以及数据等内容。在总线传输中总是先传输字节的最低位，最后传输字节的最高位。

设备地址（ADDR）数据域：ADDR数据域由7位组成，代表了设备在主机上的地址，地址000 0000被命名为零地址，是任何一个设备第一次连接到主机时，在被主机配置、枚举前的默认地址，可用来寻址多达127个外围设备。

端点（ENDP）数据域.：ENDP数据域由4位组成。通过4个位最多可寻址出16个端点。这个ENDP数据域仅用在IN、OUT与SETUP令牌信息包中。对于慢速设备可支持端点0以及端点1作为终端传输模式，而全速设备则可以拥有16个输入端点（IN）与16个输出端点（OUT）共32个端点。
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帧序列号（FRAM）域：帧号字段用于指出当前帧的帧号，它仅在每帧/小帧开始的SOF令牌包中被发送，其数据位长度为11位，每传输一帧，主机就将其内容加1，最大数值为0X7FF，当帧序列号达到最大数时将自动从0开始循环。
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数据域：长度为0到1023字节（实时传输），它仅存在于DATA信息包中，根据不同的传输类型，拥有不同的字节大小，但必须为整个字节的长度。
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CRC字段：由不同数目的位组成。根据不同的信息包的类型，CRC数据域由不同数目的位所组成。其中重要的数据信息包采用CRC16的数据域（16个位），而其余的信息包类型采用CRC5的数据域（5个位）。其中的循环冗余码校验CRC，是一种错误检测技术。由于数据在传输时，有时候会发生错误，因此CRC可根据数据算出一个校验值，然后依此判断数据的正确性。CRC只校验PID之后的数据，不包括PID本身，因为PID本身通过四个取反位校验。
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1.1.5 EOP段：
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。
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二、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。
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①令牌包(Token Packet):

在USB系统中，只有主机才能发出令牌包。令牌包定义了数据传输的类型，它是事务处理的第一个阶段，用来启动一次USB传输。令牌包中较为重要的是SRTUP、IN和OUT这三个令牌包。他们用来在根集线器和设备端点之间建立数据传输。

输出（OUT）令牌包：用来通知设备将要输出一个数据包
输入（IN）令牌包：用来通知设备返回一个数据包
建立（SETUP）令牌包：只用在控制传输中，和输出令牌包作用一样，也是通知设备将要输出一个数据包，
两者区别在于:SETUP令牌包后只使用DATA0数据包，且只能发送到设备的控制端点，并且设备必须要接收，
而OUT令牌包没有这些限制。

其格式如下：
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例子：

②SOF Packet

SOF包由Host发送给Device，在每帧（或微帧）开始时发送，以广播的形式发送，所有USB全速设备和高速设备都可以接收到SOF包。

1) 对于full-speed总线，每隔1.00 ms ±0.0005 ms发送一次；2) 对于high-speed总线，每隔125 μs ±0.0625 μs发送一次；

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SOF包以相对于每帧的开始精确计算的时间间隔发送SOF记号和伴随的帧数，包括集线器的所有全速/高速设备都可以接收到SOF包。SOF包不会使得接收功能部件产生返回包，因此，不能保证向任何给定的设备发送SOF都能被接收到。当设备探测到SOF的PID时，会被告知发生了SOF。

例子：
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0xA5：1010 0101：对应上面PID表可知是帧起始包

③Data Packet、

数据包含有4个域：SYNC、PID、DATA和CRC16。有四种类型的数据包：DATA0, DATA1, DATA2,and MDATA，且由PID来区分。DATA0和DATA1被定义为支持数据切换同步(data toggle synchronization)。在USB1.1协议中，只有两种数据包：DATA0和DATA1，USB2.0中增加了DATA2和MDATA，主要用于高速分裂事务和高速高带宽同步传输中。

DATA数据域的位值是根据USB设备的传输速度及传输类型而定的，且须以8字节为基本单位。也就是传输的数据不足8字节的。或是传输到最后所剩余的也不足8字节的，仍需传输8字节的数据域。格式如下：
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主机和设备都会维护自己的一个数据包类型切换机制：当数据成功发送或者接收时，数据包类型会进行切换。当检测到对方所使用的数据包类型不对时（未切换），USB系统会认为这发生了一个错误，并试图从错误中恢复。数据包类型不匹配主要发生在握手包被损坏的情况，当一端已经正确接收到数据并返回确认信号时，确认信号却在传输过程中被损坏。此时另一端就无法知道刚刚发送的数据是否已经成功，由于未接到返回确认信号，则只好保持自己的数据包类型不变，这时就要通过对方下一次的数据包类型判断传输是否成功。如果对方下一次使用的数据包类型和自己的不一致，则可以确定自己刚刚已经成功发送（因为对方已经做了数据切换，只有正确接收才会如此）；如果下一次对方发送的数据和自己一致。则说明刚刚发送的数据包没有成功。

例子：
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④Handshake Packet

握手信息包是最简单的信息包类型。在这个握手信息包中仅包含一个PID数据域而已，其格式如下：
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握手包主要用来报告数据事务的状态，还能表示数据成功接收、命令的接收或拒绝、流控制和停止条件，只有支持流控制的事务类型才能返回握手信号。

主机和设备都可以使用ACK来确认，而NAK、STALL、NYET只有设备可以返回，主机不能使用这些握手包。NYET只在USB2.0的高速设备的输出事务中使用，表示本次数据成功接收，但没有足够的空间接收下一次数据，主机在下一次输出数据时，将先使用PING令牌包试探设备是否有空间接收数据，避免不必要的带宽浪费。

注意，当USB主机或设备检测到数据传输错误时（如CRC校验错、PID校验错、位填充错误时），将什么都不返回，这是等待接收握手信号包的一方将不会收到握手包而等待超时。

例子：
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三，总结
数据包处理的很多过程在USB接口芯片中都已经处理好，故我们不必关心这些细节。一般的USB接口芯片会完成如CRC校验、位填充、数据切换、握手等协议的处理。

当USB接口芯片正确接收到数据时，如有空间保存，则将数据保存并返回ACK，同时设置一个标志表示已经正确接收到数据；如果没有空间保存，则自动返回一个NAK。

收到输入请求时，如有数据需要发送，则发送数据，并等待接收ACK。只有当数据成功发送出去（即接收到应答信号ACK）之后，它才设置标志，表示数据已经成功发送；如果无数据需要发送，则地洞返回NAK。

通常只需要根据芯片提供的一些标志，准备要发送的数据到端点，或从端点读取接收到的数据即可。所要发送的数据是指数据包中的数据，至于同步域、包标识、地址、端点、CRC等是看不到的，在**BUS Hound（USB抓包工具）**中抓到的数据也是如此，仅是数据包。在USB接口芯片中，通过一些标志，我们知道哪个端点接收或成功发送了数据。

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