来源：公众号【鱼鹰谈单片机】
作者：鱼鹰Osprey
ID ：emOsprey
昨天发了一通牢骚《》，感谢各位道友的支持与理解，不过牢骚归牢骚，还是需要继续更新的，不管外界如何，这个系列鱼鹰肯定要更新完的。前两周，我们知道了为什么要学 USB，还有介绍了 USB 的整体情况：《》《》
今天，鱼鹰再介绍一下USB是如何通信的，即如何通过两根数据线完成通信呢（也就是上图中的最底层通信）？USB通信格式
前面简单提到过，USB接口最少有四根线连接，其中有两根是数据线，而所有的USB数据传输都是通过这两根线完成的，那么它是怎么做到的？
我们知道，串口为了实现通信，规定了起始位、停止位，有时候也可能增加奇偶校验位，如果你知道了串口的波特率，那么你就可以正确的接收到发送方发来的数据。那么USB应该也有相应的通信格式要求才对，那么它的格式是怎么样的？因为 USB 通信远比串口复杂的多，所以本节内容不会面面俱到，更多的是为后面的学习提供基础，因此有些内容不会展开描述，感兴趣的可以查找相应的资料学习。串口中高电平代表1，低电平代表0，并且是全双工通信，即可以同时发送和接收数据。而 USB 有所不同，它虽然也有两根数据线，但它们却是采用差分传输，即需要两根数据线配合才能传输一个bit，因此是半双工通信，同一时间只能发送或者接收。首先我们需要了解一下差分 0 和差分 1 这两种状态：差分1：数据线 D+ 为高电平， D- 为低电平时为差分 1；差分0：数据线 D+ 为低电平， D- 为高电平时为差分 0。但是要注意的是，这里的差分0、差分1可不是代表数据0和1，而仅仅只是数据线表现的状态，和真正的数据还有距离。USB 规定，如果电压电平不变，代表逻辑1；如果电压电平变化，则代表逻辑0，这就是 NRZI （Non-Return-to-Zero Inverted Code）编码（关于这个编码感兴趣的可以看次条文章）。看下图进行理解：
USB不通信时，数据线处于闲置状态（类似于串口的高电平闲置），一旦需要开始通信，首先切换到K状态（类似串口的起始位），再进行实际的数据传输，在这里传输的数据为 000011，实际的数据线状态为差分101000，传输完毕后需要发送结束信号EOP：2位的 SE0，再加 1 位的J状态（类似串口的停止位）。这里只是简单的说明，实际上的数据传输比这个还要复杂一些，但大体是一致的（上述可能会有误，毕竟鱼鹰没有使用示波器查看过，通过资料进行理解的）。并且需要注意的是，上述描述的闲置状态和J、K等状态和设备类型有关，即全速设备和低速设备这些状态的定义不同（这个可能和设备数据线的上拉电阻位置相关）。
（来源于cypress AN57294）采用 NRZI 编码的好处是可以不需要时钟线进行同步，但是为了实现准确的采样，需要两个条件：1、数据传输前需要发送同步域（SYNC），这个域固定为 0000 0001，通过NRZI编码后就是一串方波信号，接收者可以通过方波信号确定采样率（可以认为是串口的波特率）。2、因为数据中有大量的0，可以让接收者通过信号的变化不断调整采样频率，但是如果刚好数据中没有0怎么办？一旦有大量的1存在于数据线上，那么数据线的电平将长时间不会发生变化，也就无法进行速率的同步，一旦接收者和发送者各自的时钟频率存在误差，那么很可能因为长时间没有电平变化而导致采样失败（误差长时间累积），所以 bit-stuffing 出现了，即所谓的强制插 0。USB规定，如果有7个连续的逻辑 1 ，需要在第 6 个 1 之后插入一个逻辑0来实现位填充，这样D+和D-就会发生变化，从而让接收者实现时钟同步。在接收时，只要将6个逻辑1后的0删除就可以恢复数据。
（来源于cypress AN57294）可以看到，6个连续的1之后强制插入了一个0进去，这样即使接收方和发送方各自的时钟存在误差，也可以通过信号的变化实时同步，从而准确的进行采样。以上内容就是 USB 为什么只需要两根线就能进行快速进行数据传输的关键。
USB 数据包
下面再来聊聊数据包：
前面这张图介绍了如何通过 USB 数据线传输000011 数据，事实上在 USB 中，所有的数据都是以包（Packet）的形式进行传输的，而数据包是有一定的格式，也就是说，为了传输00011，需要按照包的格式才能正确传输。数据包有如下组成部分：
(来源于 ST 资料)首先是 SOP（即从闲置状态到K状态），然后是 SYNC，即前面提到的同步域，用于接收方的时钟同步，其次才是我们需要传输的数据内容，最后是 EOP（2位 SE0，1位J状态）。如此，你的数据（PacketContent）才能被接收方正确接收。数据包分为四大类：令牌 (Token) Packet帧首 (Start of Frame) Packet数据 (Data) Packet握手 (Handshake) Packet每一类又可能分为多种具体的数据包，比如令牌包分为OUT、IN、SETUP等数据包，每一类中的 Packet Content 内容可能是不一样的，比如：令牌 (Token) Packet
（灰色部分代表不存在）帧首 (Start of Frame) Packet
（灰色部分代表不存在）数据 (Data) Packet
（灰色部分代表不存在）握手(Handshake) Packet
（灰色部分代表不存在）为什么要缺斤少两呢？或许和数据包的功能有关，毕竟有些内容在有些包中是不需要存在的，那为什么还要加入传输增加总线的负担呢。以上具体的内容可以查看鱼鹰提供的资料，比如 CRC 是怎么计算的，帧号里面的内容是怎样的？对于软件开发而言，我们可以不必关心这么多，只要我们能正确的从相关寄存器中获取我们想要的数据即可，也就是我们需要知道当前令牌是什么，传输的数据是什么就可以了，其他的可以在学完整个 USB 后自行深入了解。下一章节，鱼鹰将介绍 USB 的四大传输，即控制、中断、同步、批量传输，同时介绍四大传输和数据包的关系，半双工的通信是如何工作的。敬请期待！推荐阅读：
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