嵌入式学习之USB协议(二)

上一节我们讲了USB的电气信号，今天我们讲帧的组成内容；请注意，USB通信中的“帧”相当于串口通信中的“字节”。在常见的串口，I2C，SPI等等，均以字节为单位，通过分析字节组成的数据得到信息；USB以帧为单位，通过帧组成的数据得到信息，不完整的帧组成的信息没有任何意思，直接丢弃。

帧的组成

一个完整的帧是由SOP+SYNC+包内容+SOP组成的，缺其中任何一个都可以认为是异常帧，丢掉不用即可。

包内容又与PID相关，PID类型分为四种，令牌包，数据包，握手包和特殊包；接下来详细论述下这几个类型包的组成部分。

Token令牌包

从下图IN/OUT/SETUP包的帧格式可以清楚地知道，设备地址是7Bits，所以地址范围为0-127，最多接入128个设备；LS设备最多3个端点，FS/HS设备最多16个端点。

SOF帧没有设备地址和端点号，被帧编号替换；帧编号由11个字节组成，主机每发出一个帧，帧编号自动加1；当帧号达到0x7ff时，将归零重新开始。
LS/FS每1ms发送一次SOF帧
HS每125us发送一次SOF帧

令牌包CRC5的计算多项式为：G(X) = X^5 + X^2 + 1；
CRC仅仅计算地址域(IN/OUT/SETUP的设备地址和端点地址)和帧编号(SOF的帧编号)的CRC，不对SYNC和PID做CRC计算。

数据包

数据包不带地址信息，根据包在做的发送类型不同，数据包最大长度也不相同，如图也做了规范；

数据包CRC5的计算多项式为：G(X) = X^16 + X^15 + X^2 + 1；

CRC仅仅计算数据域的CRC，不对SYNC和PID做CRC计算。

握手包

握手包是非常简单的，只有PID，没有地址，端点号，数据，CRC等内容；只是回复ok/fail/stall等信息。

握手包的响应

在USB2.0协议中规定，全速设备的握手包分别有三种ACK，NAK和STALL。

ACK：表示肯定的应答，数据传输成功，由主机或设备发出；对于IN包来说是主机收到了设备端的数据，可以进行下一次的数据传输；

NAK：表示否定的应答，数据传输失败，由主机或设备发出；对于OUT包来说是设备接收主机的数据失败，此时主机可以进行重发请求；

STALL：表示功能错误或端点被设置了STALL属性，一般由设备发出；表示该设备不支持这个请求，或者无法发送和接收数据；协议STALL握手包表示设备不支持这个协议；功能STALL握手包表示，设备的端点已经停止，因此无法完成发送数据或接收数据的操作。

主机接收到NAK包后，说明设备是完整的；主机只要重发就行，设备总会收到；接收到STALL包后，说明端点已经停止，此时只能重新枚举此设备；笔者曾经做CDC设备设备时，接收到STALL包后，就再也无法通信的，只能重新枚举解决。有高手知道出现STALL包后的解决方案，可以在评论区告诉，先行感谢！

结语

USB标准统一，可以连接多个设备；所以一出来就迅速占领了市场，我们的生活现在也基本离不开它了；帧格式是USB协议中非常重要的一环，他的传输都是通过这个些帧组合起来的，大家可以仔细阅读下；下一章节我们将继续介绍USB的控制传输，BULK传输，中断传输和同步传输。好了，今天就先写到这里，有什么需要讨论的，请在评论区告诉我，谢谢大家！