USB协议层

这章从字段（Field）和包（Packet）的定义开始，从底向上地展示USB（Univeral Serial Bus）协议。接着是对不同事务（Transaction）类型的包事务格式的描述。然后是链路层（Link layer）流程控制（Flow Control）和事务级别的故障恢复（Fault recovery）。本章的最后将讨论复执同步化（Retry synchronization），超时干扰（Babble）和总线活动丧失（Loss of bus activity）的恢复。

8.1 位定序

数据位被发送到总线的时候，首先最低有效位（LSb），跟着是下一个最低有效位，最后是最高有效位（MSb）。在以后图表中的，包以下列形式给出，即包中单个的位和字段从左到右的顺序就是它们通过总线的顺序。

8.2同步字段

所有的包都从同步（SYNC）字段开始的，同步字段是产生最大的边缘转换密度（Edge TransitionDensity）的编码序列。同步字段作为空闲状态出现在总线上，后面跟着以NRZI编码的二进制串“KJKJKJKK”。通过被定义为8位长的二进制串，输入电路以本地时钟对齐输入数据。同步字段是用于同步的机制，在以后图表当中将不被表示（参照节7.1.10）。同步字段里的最后的2位是同步字段结束的记号，并且标志了包标识符（PID，Packet Identifer）的开始。

8.3包字段格式

在后面几节将描述标记，数据和握手包的字段格式。包中位的定义是以未编码的数据格式给出。为了清楚起见，在此不考虑NRZI编码和位填充（Bit Stuffing）的影响。所有的包都分别有包开始（Start-of-Packet）和包结束（End-of-Packet）分隔符。包开始（SOP）分隔符是同步字段的一部分，而包结束（EOP）分隔符在第7章有所描述。

8.3.1包标识符字段

所有USB包的同步字段后都紧跟着包标识符（PID）。如图8-1所示，包标识符由4位的包类型字段和其后的4位的校验字段构成。包标识符指出了包的类型，并由此隐含地指出了包的格式和包上所用错误检测的类型。包标识符的4位的校验字段可以保证包标识符译码的可靠性，这样包的余项也就能被正确地解释。包标识符的校验字段通过对包类型字段的二进制的求反码产生的。如果4 个PID检验位不是它们的各自的包标识符位的补，则说明存在PID错。

图8-1 PID 格式

主机和所有功能部件都必须对得到全部PID字段实行完整的译码。任何收到包标识符，如果含有失败的校验字段，或者经译码得到未定义的值，则该包标识符被假定是被损坏的，而且包的余项将被包接收机忽略（Ignore）。如果一个功能部件（Function）收到了包含了它所不支持的事务类型或方向的合法包标识符，则不必应答。例如，只能输入的端口（IN-only Endpoint）必须忽略输出标记（Token）。表8-1列出了包标识符类型，编码及其描述。

表8-1 PID 类型

*注解：PID位以最高位在前的顺序被表示。在USB上被发送的时候，最右的位（位0）将被第一个发出。

包标识符被分为4个编码组：标记，数据，握手和专用。包标识符传送的前2位（PID<0 ： 1>）指出了其属于哪个组。这说明包标识符编码的分布。

8.3.2地址字段

功能部件端口使用2个字段：功能部件地址字段和端口字段。功能部件对地址和端口字段都需要进行译码。不允许使用地址或端口别名（Aliasing），并且任何一个字段不匹配，此标记都必须被忽略。另外， 对未初始化的端口的访问将使得标记被忽略。

8.3.2.1地址字段

功能部件地址（ADDR）字段通过其地址指定功能部件，至于是数据包的发出地还是目的地，则取决于标记PID的值。如图8-2所示，ADDR<6 ： 0>指定了总共128个地址。地址字段被用于输入，建立和输出标记。由定义可知，每个ADDR值都定义了单一的功能部件。刚一复位（Reset）和加电（Power-up）的时候，功能部件的地址默认值为零，并且必须由主机在枚举过程（Enumeration Process）中编程。功能部件地址零被用作为缺省地址，不可被分配作任何别的用途。

8.3.2.2端口字段

如图8-3所示，附加的4位的端口（ENDP）字段在功能部件需要一个以上端口时候允许更灵活的寻址。除了端口地址0之外，端口个数是由功能部件决定的。端口字段只对输入，建立和输出标记PID有定义。所有的功能部件都必须在端口0提供一个控制管道（缺省控制管道）。对于低速(Low Speed)设备，每个功能部件最多提供3个管道：在端口0的控制管道加上2个附加管道（或是2个控制管道，或是1个控制管道和1个中断端口，或是2个中断端口）。全速(Full Speed)功能部件可以支持最多可达16个的任何类型的端口。

8.3.3帧号字段

帧号字段是一个11位的字段，主机每过一帧就将其内容加一。帧号字段达到其最大值7FFH时归零，且它仅每个帧最初时刻在SOF标记中被发送。

8.3.4数据字段

数据字段可以在0到1,023字节之间变动，但必须是整数个字节。图8-4为多字节显示格式。每个字节的范围内的数据位移出时都是最低位（LSb）在前。

循环冗余校验（CRC）被用来在标记和数据包中保护所有的非PID字段。在上下文中，这些字段被认为是保护字段。PID不在含有CRC的包的CRC校验范围内。在位填充之前，在发送器中所有的CRC都由它们的各自的字段产生。同样地，在填充位被去除之后，CRC在接收器中被译码。标记和数据包的CRC可100 %判断单位错和双位错。失败的CRC指出了保护字段中至少有一个字段被损坏，并导致接收器忽略那些字段，且在大部分情况下忽略整个包。为了CRC的发生和校检，发生器和检验器里的移位寄存器置成为全1（All-ones）型。对于每个被发送或者被收到的数据位，当前余项的最高一位和数据位进行异或（XOR），然后，余项是左移1位，并且，最低一位置零。如果异或的结果是1，余项和生成多项式作异或。当检查的字段的最后的一位被发送的时候，发生器里的CRC被颠倒，再以最高位（MSb）在前发给检验器。当检验器收到CRC的最后的一位,且不发生错误的时候，余项将等于多项式的的剩余。如果剩余与包接收器中最后计算出的检验和余项（Checksum remainder）不匹配，则存在CRC误差。对于CRC，必须满足位填充的要求，且如果前6位都是1的话，这包括在CRC的最后插入零，。

l  ACK表示数据包没有位填充或数据字段上的CRC错，并且数据PID被正确收到。ACK在下列的情况下被发放，当时序位（Sequence Bit）匹配且接收器能接受数据的时候，或者当时序位失配，但发送方和接收器互相之间必须再同步（Resynchronize）（在第8.6节详细提到）的时候。ACK握手信号只适用于数据被传送且期待握手信号的事务中。对于输入事务，ACK由主机返回，而对于输出或建立事务则由功能部件返回；

l  NAK表示功能部件不会从主机接受数据（对于输出事务），或者功能部件没有传输数据到主机（对于输入事务）。NAK仅由功能部件在输入事务的数据时相返回，或在输出事务的握手时相返回。主机决不能发出NAK。出于流控制的目的，NAK用于表示功能部件暂时不能传输，或者接收数据，但是最终还是能够在不需主机干涉的情况下而传输或接收数据；

l  STALL作为输入标记的回应，或者在输出事务的数据时相之后由功能部件返回（见图8-9和图8-13）。STALL表示功能部件不能传输，或者接收数据，或者不支持一个控制管道请求。在任何条件下都不允许主机返回STALL。

STALL握手由设备用于在两个不同的场合之一。第一种情况，是当设置了与端口相联系挂起特征（Halt feature）的时候，称为“功能STALL（functional stall） ”（挂起特征在这文档的第9章中详细说明）。功能STALL的特殊情况是“命令STALL（commanded stall）”。如同在第9章中详细叙述的那样，命令STALL发生在主机显式地设置了端口的挂起特征的时候。如果功能部件的端口被挂起，则功能部件必须继续返回STALL，直到引起停止的条件通过主机干涉而被清除。

如同在节8.5.2中详细叙述的那样，第二种情况称为“协议STALL（protocol stall）”。协议STALL对于控制管道是唯一的。协议STALL和功能STALL在意义和持续时间上是不同。协议STALL在控制传送（Control Transfer）的数据或状态阶段（Stage）被返回，并且，STALL条件在下一个控制传送的开始终止（建立事务）。这节的剩下的部分将提到功能STALL的一般情况。

8.4.5握手回答（Handshake Response）

传输和接收功能部件必须根据从表8-2中到表8-4详细叙述的优先顺序返回握手。不是所有的握手都是被允许，依赖于事务类型和功能部件或主机是否发出握手。如果标记在传输到功能部件的阶段里发生了错误，则功能部件将不以任何包回应，直到下一个标记被收到并成功地译码。

8.4.5.1功能部件对输入事务回答

表8-2显示了功能部件作为对输入标记的反应而可能做的回答。如果由于停止或流控制条件,功能部件不能发送数据，它将发出STALL或NAK握手。如果功能部件能发出数据，它就发出数据。如果收到的标记被损坏，则功能部件不应答。

表8-2 功能部件对输入事务的回应

8.4.5.2主机对输入事务回答

表8-3显示了主机对输入事务回答。主机只能返回1种类型的握手：ACK。如果主机收到了损坏的数据包，它把数据丢弃且不应答。如果主机不能从功能部件接受数据，则（出于类似内部缓冲溢出的问题）这条件被认为是错误，并且主机不应答。主机能接受数据，并且如果数据包是完整无错地被接收到，则主机接受数据并发出ACK握手。

表8-3 主机对输入事务的回应

8.4.5.3功能部件对输出事务回答

对输出事务的握手回答由表8-4表示。假设标记译码成功，功能部件收到数据包后，可以返回三种握手类型中的任何一种。如果数据包被损坏，功能部件不返回握手。如果数据包是被完整无错地接收到，而功能部件的接收端口被停止，则功能部件返回STALL。如果事务正维持着时序位同步而探测到失配（在第8.6节有详细描述），那么功能部件返回ACK，并丢弃数据。如果功能部件能够接受数据并完整无错收到数据，它返回ACK。如果由于流控制的原因，功能部件不能接受数据包，它返回NAK。

表8-4 功能部件对输出处理的回应（按优先顺序）

8.4.5.4功能部件对建立事务的回答

建立事务定义了特殊的主机-功能部件的数据事务，它允许主机初始化端口的同步位为主机的同步位。一收到建立标记，功能部件就必须接受数据。功能部件不能对建立标记用STALL或NAK应答，并且，接收功能部件必须接受建立标记后的数据包。如果非控制端口收到建立标记，它必须忽略事务且不应答。