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