USB基础 -- USB相关协议字段解析
USB 协议的字段。按 物理层包结构 → 协议层 Token/Data/Handshake 包 → 描述符字段 → 状态机相关字段 的顺序展开。
1. 物理层与基础包格式字段
在 USB 1.1/2.0 中，所有包的传输都遵循相同的低层结构，主要字段包括：
| 字段 | 长度 | 作用 |
|---|---|---|
| SYNC | 8 位（FS/LS），32 位（HS） | 用于接收端时钟恢复与包起始同步 |
| PID | 8 位 | Packet Identifier，标识包类型（高 4 位 = PID 类型，低 4 位为高 4 位的反码） |
| PAYLOAD | 可变 | 数据或地址等内容 |
| CRC | 5 位（Token 包），16 位（Data 包） | 循环冗余校验，用于检测错误 |
| EOP | SE0（Single-Ended Zero）+ J | 包结束信号 |
2. 协议层包类型字段
USB 协议分为 Token 包、Data 包、Handshake 包、Special 包，每种包的字段定义不同。
2.1 Token 包（IN、OUT、SETUP）
+---------+-------------------+--------+------+
| PID(8) | ADDR(7) + ENDP(4) | CRC5(5)| EOP |
+---------+-------------------+--------+------+
- PID：区分是 IN/OUT/SETUP/SOF。
- ADDR：设备地址（0~127）。
- ENDP：端点号（0~15）。
- CRC5：对 ADDR+ENDP 做 CRC5 校验。
2.2 Data 包（DATA0、DATA1、DATA2、MDATA）
+---------+------------+---------+------+
| PID(8) | Data(0~n) | CRC16(16) | EOP |
+---------+------------+---------+------+
- PID：标识数据包类型（DATA0/1/2/MDATA）。
- Data：负载数据，长度受 MaxPacketSize 限制。
- CRC16：覆盖 Data 部分。
2.3 Handshake 包（ACK、NAK、STALL、NYET）
+---------+------+
| PID(8) | EOP |
+---------+------+
- ACK：确认收到数据。
- NAK：暂时无数据或不可接收。
- STALL：功能错误，需要主机重新配置。
- NYET（HS 专用）：表示已部分接收但未准备好下一包。
2.4 Special 包
- SOF（Start of Frame）：同步帧，包含帧号字段。
- PING：高速设备确认是否可以发送数据。
- SPLIT：用于分割传输（USB Hub HS→FS/LS）。
3. 描述符（Descriptors）字段
USB 枚举时，设备通过 标准描述符 向主机报告自身能力，每个描述符都有固定字段结构：
3.1 设备描述符（Device Descriptor）
| 字段 | 长度 | 含义 |
|---|---|---|
| bLength | 1 | 描述符长度（固定 18） |
| bDescriptorType | 1 | 类型（0x01 表示 Device） |
| bcdUSB | 2 | USB 版本（如 0x0200 = USB2.0） |
| bDeviceClass/SubClass/Protocol | 各 1 | 设备类、子类、协议 |
| bMaxPacketSize0 | 1 | 端点 0 最大包长（8/16/32/64） |
| idVendor / idProduct | 各 2 | VID/PID |
| bcdDevice | 2 | 设备版本号 |
| iManufacturer / iProduct / iSerialNumber | 各 1 | 字符串描述符索引 |
| bNumConfigurations | 1 | 支持的配置数量 |
3.2 配置描述符（Configuration Descriptor）
| 字段 | 长度 | 含义 |
|---|---|---|
| bLength | 1 | 固定 9 |
| bDescriptorType | 1 | 0x02 表示 Configuration |
| wTotalLength | 2 | 此配置下所有描述符总长度 |
| bNumInterfaces | 1 | 接口数量 |
| bConfigurationValue | 1 | 配置编号 |
| iConfiguration | 1 | 配置名称字符串索引 |
| bmAttributes | 1 | 电源特性（位 6=自供电，位 5=远程唤醒） |
| bMaxPower | 1 | 最大功耗（单位 2mA） |
3.3 接口描述符（Interface Descriptor）
| 字段 | 长度 | 含义 |
|---|---|---|
| bLength | 1 | 固定 9 |
| bDescriptorType | 1 | 0x04 表示 Interface |
| bInterfaceNumber | 1 | 接口编号 |
| bAlternateSetting | 1 | 备用设置编号 |
| bNumEndpoints | 1 | 此接口端点数量 |
| bInterfaceClass/SubClass/Protocol | 各 1 | 接口类信息 |
| iInterface | 1 | 接口字符串索引 |
3.4 端点描述符（Endpoint Descriptor）
| 字段 | 长度 | 含义 |
|---|---|---|
| bLength | 1 | 固定 7 |
| bDescriptorType | 1 | 0x05 表示 Endpoint |
| bEndpointAddress | 1 | 位7方向(0=OUT,1=IN)，位0-3端点号 |
| bmAttributes | 1 | 传输类型（0=Control,1=Iso,2=Bulk,3=Interrupt） |
| wMaxPacketSize | 2 | 最大包长（含额外事务数） |
| bInterval | 1 | 轮询间隔（ms） |
4. 状态机相关字段
- Device Address：由
SET_ADDRESS请求设置（0~127）。 - Data Toggle：DATA0/DATA1 交替标志，保证数据顺序。
- Frame Number：SOF 帧号（11 位），同步等时传输。
- Configuration Value：当前选择的配置（来自
SET_CONFIGURATION）。 - Interface Setting：接口的备用设置值（Alternate Setting）。
5. 高速与特殊字段
-
bInterval（HS 下等时端点）：以微帧为单位（125μs）。
-
NYET：高速 Bulk/Control OUT 事务的延迟应答。
-
SPLIT 包字段：
- HubAddr、Port、Start/Complete 标志
- 传输方向、速度、数据量等。