USB封包格式
1.起始(SOP)封包
根集線器會(huì)在每1 ms時(shí),送出SOF封包。這介于2個(gè)SOF封包之間的時(shí)間,即稱為幀(frame)。SOF封包雖是屬于令牌封包的一種,但卻具有獨(dú)自的PID形態(tài)名稱SOF。通常目標(biāo)設(shè)各都利用SOF封包來(lái)辨識(shí)幀的起點(diǎn)。這個(gè)封包常用于等時(shí)傳輸。也就是在1 ms的幀(高速是125 μS微幀,將1 ms切成8份)開(kāi)始時(shí),等時(shí)傳輸會(huì)利用SOF激活傳輸并達(dá)到同步傳輸?shù)淖饔?。而在每一個(gè)幀開(kāi)始時(shí),SOF會(huì)傳給所有連接上去的全速設(shè)各(包含集線器)。因此,SOF封包并不適用于低速設(shè)備。這個(gè)封包內(nèi)包含了一個(gè)幀碼,其可不斷地遞增,且在高達(dá)最大值時(shí)反轉(zhuǎn)為0,重新再計(jì)
數(shù)一次。這個(gè)幀碼是用來(lái)表示幀的計(jì)數(shù)值,因此,8個(gè)微幀都使用同一個(gè)幀碼值。若必要時(shí),高速設(shè)各可計(jì)算出SOF的重復(fù)使用次數(shù),并計(jì)算出微幀的數(shù)量。通過(guò)縮短微幀的周期時(shí)間,便可減少高速設(shè)各對(duì)于緩沖存儲(chǔ)器的需求。
如圖1所示,高速的根集線器將會(huì)使用額外的SOF來(lái)傳輸8個(gè)微幀。有些書(shū)籍會(huì)把這種高速的SOF,另命名為uSOF。這種增加的微幀,同時(shí)也替高速的連接帶來(lái)了更復(fù)雜的控制方式。
圖1 USB幀與微幀示意圖
此外,再利用如圖2所示的簡(jiǎn)圖來(lái)說(shuō)明主機(jī)所送出的一個(gè)SOF封包的格式。其中,SOF的封包標(biāo)識(shí)符,PID數(shù)據(jù)域的值為0xA5。PID[3:o]=0101與PID[3:o]=1010所產(chǎn)生的,只不過(guò)它的傳送順序須由LSB→MSB。因此,即可推算出0xA5。以下,所有的PID數(shù)據(jù)域皆可由此推算而得到。
圖2 SOF封包的各種組成字段
圖2顯示了SOF封包的各種字段與相關(guān)的定義。
此外,端點(diǎn)可以通過(guò)SOF封包來(lái)加以同步,或是以幀碼值來(lái)作為時(shí)間的參考依據(jù)。當(dāng)整個(gè)USB總線上沒(méi)有USB傳輸時(shí),SOF封包也可避免讓設(shè)備切人低功率的中止(suspend)狀態(tài)。再者,雖然在低速設(shè)各上,是看不到SOF封包的,但相反,設(shè)各的集線器使用了前面所提及的BOP(End of-Packet)信號(hào),且在每一個(gè)幀設(shè)置一次。因此,有時(shí)后也稱這種信號(hào)為設(shè)各的低速存活(keep alive)信號(hào)。所以說(shuō),SOF/uSOF封包是給全速/高速設(shè)各來(lái)使用的,而低速存活信號(hào)卻可避免讓低速設(shè)備切入中止?fàn)顟B(tài)中。
2.令牌封包
由于USB的數(shù)據(jù)交易是由PC主機(jī)端所激活的,所以在每一個(gè)數(shù)據(jù)交易中,必須以下列的5個(gè)數(shù)據(jù)域所組合而成的令牌封包作為起始,并執(zhí)行通信協(xié)議的前導(dǎo)工作。一個(gè)令牌封包含蓋了5個(gè)數(shù)據(jù)域SYNC、PID、ADDR、ENDP與CRC5。這即是54233的第1個(gè)數(shù)字:5。如下所列為其令牌封包的各個(gè)組成的數(shù)據(jù)域。
令牌封包的PID數(shù)據(jù)域(PID[1:0]=[0,1])中包含了OUT、IN、SETUP這3種PID類型名稱。也就是包含了OUT令牌封包、IN令牌封包以及SETUP令牌封包。例如,在執(zhí)行控制傳輸主機(jī)要通過(guò)預(yù)設(shè)的地址取得設(shè)備描述符(Get ̄Descriptor),就必須先執(zhí)行下列的SETUP令牌封包,作為每一次控制傳輸?shù)拈_(kāi)始,其中,PID欄變成SETUP的PID類型名稱(0xB4)。IN令牌封包,則是主機(jī)用來(lái)通知設(shè)備,將要執(zhí)行數(shù)據(jù)輸入的工作。而OUT令牌封包則剛好相反。
圖3 顯示了PC主機(jī)所起始的SETUP令牌封包。
圖3? 令牌封包的各種組成的字段
3.?dāng)?shù)據(jù)封包
在USB接口中,主機(jī)執(zhí)行了總線的管理、數(shù)據(jù)傳輸以及設(shè)各對(duì)主機(jī)所提出的要求命令作出響應(yīng)的動(dòng)作。這些所要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)與要求命令是什么呢?因此,必須通過(guò)數(shù)據(jù)封包來(lái)執(zhí)行這項(xiàng)工作。
而由SETUP、IN與OUT令牌封包所起始的數(shù)據(jù)傳輸,將會(huì)以DATAO、DATA1、DATA2與MDATA封包來(lái)加以實(shí)現(xiàn)。一個(gè)數(shù)據(jù)封包含了4個(gè)數(shù)據(jù)域:SYNC、PID、DATA與CRC16。各個(gè)字段的意義之前已有介紹過(guò)。這即是54233的第2個(gè)數(shù)字:4。在這里,要稍微注意的是DATA字段內(nèi)所放置的位值,須根據(jù)USB設(shè)各的傳輸設(shè)備(低速、高速與全速)以及傳輸類型(中斷傳輸、批量傳輸與等時(shí)傳輸)而定,且須以所設(shè)置的MaxPackSize字節(jié)為基本單位。也即是,若傳輸?shù)臄?shù)據(jù)不足MaxPackSize字節(jié),或是傳輸?shù)阶詈笏S嗟囊膊蛔鉓axPackSize字節(jié),則仍須傳輸MaxPackSize個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)域。
列出由4個(gè)數(shù)據(jù)域所組合而成的數(shù)據(jù)封包。
數(shù)據(jù)封包的PID數(shù)據(jù)域(PID[1:0]=[1:1])包含了4種類型:DATA0、DATA1、DATA2與MDATA。而根據(jù)USB規(guī)范,最初的數(shù)據(jù)封包都以DATA0作為開(kāi)始,其后才是DATA1,然后依此方式交替切換。這個(gè)動(dòng)作稱之為數(shù)據(jù)緊密連接(data toggle)。這個(gè)動(dòng)作有點(diǎn)類似將數(shù)據(jù)緊密連接。如此就可確保整個(gè)傳輸過(guò)程中,主機(jī)能與設(shè)各維持同步,且作為幀錯(cuò)之用。例如,如果兩個(gè)連續(xù)的DATA0被接收到的話,意味著DATA1封包被遺漏掉,并產(chǎn)生了錯(cuò)誤的狀況。而DATA2與MDATA,則僅適用于高速的等時(shí)傳輸。
若主機(jī)要針對(duì)特別尋址的設(shè)各端點(diǎn),送出取得設(shè)各描述符的命令,就可如圖4所示,將含有命令的數(shù)據(jù)封包傳出。其中,須特別注意的是,由于是控制傳輸,所以數(shù)據(jù)域中僅有8字節(jié)。至于“8006 0001 000040”的設(shè)備要求的意義。
圖4 數(shù)據(jù)封包的各種組成字段
4.握手封包
握手封包是最簡(jiǎn)單的封包類型。在這個(gè)握手封包中,僅包含一個(gè)PID數(shù)據(jù)域。它的格式如下所列,僅包含SYNC與PID兩個(gè)數(shù)據(jù)域,這即是54233的第3個(gè)數(shù)字:2。
握手封包的PID數(shù)據(jù)域(PID[1:0]=[1:0])中包含了ACK、NAK、STALL與NYET這4種PID類型名稱。也就是含有ACK、NAK、STALL與NYET握手封包。
延伸上一個(gè)圖例,如果設(shè)備已收到主機(jī)要執(zhí)行取得設(shè)備描述符的命令,設(shè)備就以握手封包來(lái)加以響應(yīng)。因此須注意的是,如果設(shè)備已準(zhǔn)備接收的話就以ACK握手封包響應(yīng);如果尚未就緒就使用NAK握手封包響應(yīng);如果發(fā)生錯(cuò)誤而停滯,就使用STALL握手封包響應(yīng)。圖5顯示一個(gè)握手封包的格式,其中ACK的PID數(shù)據(jù)域值為Ox4B,剛好與SETUP的PID數(shù)據(jù)域值相反。
圖5 握手封包的各種組成字段
通過(guò)上述的3個(gè)封包,即可組成一個(gè)數(shù)據(jù)交易。當(dāng)然,這即是54233的第4個(gè)數(shù)字:3。
對(duì)于高速設(shè)備,為了改善NAK的機(jī)制,特別支持了NYET握手封包。這是由于當(dāng)數(shù)據(jù)已經(jīng)傳輸至總線時(shí),通過(guò)NAK這個(gè)OUT數(shù)據(jù)交易的動(dòng)作是不夠的。況且若是在總線上存在著高頻率的NAK傳輸過(guò)程,將會(huì)使得整個(gè)總線逐漸地被拖累,帶寬被分享掉。此時(shí),高速設(shè)各就可以使用特殊的PING封包(稍后會(huì)提及)來(lái)詢問(wèn),是否接收器還有緩沖區(qū)空間來(lái)接收OUT數(shù)據(jù)交易。如果設(shè)各以ACK來(lái)響應(yīng),那么傳送器就會(huì)安排
OUT傳輸。反之,如果響應(yīng)的是NYET,那么傳送器就會(huì)以PING封包來(lái)查詢。如此,總線上就會(huì)有最佳的使用率。
5.特殊封包
總共包含了4個(gè)特殊封包(PRE、ERR、SPLIT與PING)。其中,一個(gè)僅使用在低速設(shè)備,一個(gè)僅使用在高速設(shè)各,其余兩個(gè)則是針對(duì)當(dāng)?shù)退倩蚴侨僭O(shè)備連接上USB 2.0集線器后,再以高速的方式與主機(jī)通信時(shí),才會(huì)用到。
?。?)PRE封包
這個(gè)特殊前置(Special Preamble,PRE)封包擁有獨(dú)自的PID類型名稱PRE,其僅適用于主機(jī)想要從高速傳輸變成低速傳輸時(shí)所送出來(lái)的情形。也就是主機(jī)對(duì)于下端端口送出低速封包與低速設(shè)備通信之前,所必須先送出的PRE封包。在該P(yáng)RE封包中,包含了前置碼以告訴集線器,下一個(gè)封包是低速。如此,集線器將會(huì)以即將接上的低速設(shè)備開(kāi)始執(zhí)行通信的工作。此時(shí),PRE封包會(huì)放在導(dǎo)引至低速設(shè)各的所有令牌、數(shù)據(jù)以及握手封包之前。而高速設(shè)各是將PRE以SPLIT封包來(lái)加以編碼,因此不會(huì)重復(fù)地送出。對(duì)于原本已是低速的設(shè)備來(lái)說(shuō),不需要PRE封包。這種格式如下所列,僅包含兩個(gè)8位的數(shù)據(jù)域:SYNC與PRE。
?。?)PING封包
僅存于高速設(shè)備所使用的特殊封包是PING封包。主機(jī)會(huì)送出PING封包來(lái)找出是否高速設(shè)各端點(diǎn)在以批量或是包含以多個(gè)數(shù)據(jù)封包的控制傳輸來(lái)送出下一個(gè)數(shù)據(jù)封包之前,是否為忙碌的狀態(tài)。這是由于傳統(tǒng)的USB數(shù)據(jù)交易時(shí),若常以NAK來(lái)響應(yīng)批量或控制的OUT傳輸,通常都會(huì)導(dǎo)致浪費(fèi)太多的帶寬。因此,為了減少高速或控制的OUT端點(diǎn)的損失,USB 2.0新增了PING封包。一旦批量或控制傳輸?shù)腛UT數(shù)據(jù)交易被NAK響應(yīng)后,主機(jī)控制器將會(huì)使用PING封包來(lái)查詢高速非周期性的端點(diǎn)是否有足夠的內(nèi)存來(lái)接收wMaxPacketSize大小容量的數(shù)據(jù)。如果此端點(diǎn)具有足夠的緩沖區(qū)來(lái)使用,就以ACK來(lái)響應(yīng)之;反之,繼續(xù)以NAK響應(yīng)為止。
此外,高速非周期性的OUT端點(diǎn)也可以使用NYET來(lái)加以響應(yīng),以通知主機(jī)所要加載的數(shù)據(jù)是可以接收的,但是端點(diǎn)沒(méi)有足夠的內(nèi)存。此時(shí),主機(jī)會(huì)使用PING令牌,直到端點(diǎn)表示了針對(duì)下一個(gè)OUT數(shù)據(jù)交易,已有足夠的緩沖區(qū)內(nèi)存。
?。?)SPLIT封包
SPILIT封包定義了令牌封包為分割數(shù)據(jù)交易(split transactION)的一部分。為了最佳地使用總線時(shí)間,USB 2.0主機(jī)與集線器會(huì)以高速來(lái)送出低速與全速的通信數(shù)據(jù)。至于為什么需要分割數(shù)據(jù)交易呢?這是由于當(dāng)主機(jī)開(kāi)始傳輸一個(gè)針對(duì)低速或是全速的設(shè)各所預(yù)定的數(shù)據(jù)交易時(shí),那么最接近設(shè)備的2.0集線器就有責(zé)任去實(shí)現(xiàn)與此設(shè)各的數(shù)據(jù)交易。此外,也負(fù)責(zé)存儲(chǔ)任何回傳的數(shù)據(jù)或是狀態(tài)信息,以及以一個(gè)或是兩個(gè)稍后的數(shù)據(jù)交易來(lái)加以回報(bào)回去。如此,整個(gè)總線就無(wú)須去針對(duì)實(shí)現(xiàn)一個(gè)低速的交易來(lái)持續(xù)地等待。而這個(gè)介于集線器與主機(jī)之間的特殊數(shù)據(jù)交易,就稱之為分割數(shù)據(jù)交易。
?。?)ERROR甚寸包
這個(gè)封包僅使用在分割數(shù)據(jù)交易時(shí)。2.0集線器會(huì)使用該封包并以低速或全速的數(shù)據(jù)交易來(lái)回報(bào)一個(gè)錯(cuò)誤給主機(jī)。在此,讀者是否發(fā)現(xiàn)該P(yáng)ID碼值與PRE PID碼值是一樣的。但是其中,最大的差異是前者是應(yīng)用在設(shè)各與集線器上,另一個(gè)則是應(yīng)用在主機(jī)上。也即是集線器不會(huì)送出PRE封包給主機(jī)或是ERR封包給設(shè)各。
以下,將這些封包格式與字段等加以匯整,如表所列,并列出各個(gè)字段與其目的。
表 封包與字段之間的關(guān)系
續(xù)表