USB2.0信號測試分析應(yīng)用方案前言

USB 是很常見的串行協(xié)議。USB 有熱插拔的特性，當(dāng) USB 裝置插入主機(jī)時，主機(jī)會偵測到，并且軟件會對其作規(guī)劃，即插即用。USB 的連接線供應(yīng)裝置電源，可提供 DC +5V 的電壓，電流供應(yīng)約 100mA~500mA。
USB 的連接線共有四條，其中兩條是電源與地線，另兩條是訊號線，分別是 D+與 D-。一般情況兩條線的訊號是相反的，若其中一條的訊號為 High，則另一條的訊號就為 Low。如此的差動訊號能提升訊號抗噪聲抗干擾的能力，USB 就是利用 D+ D-兩條訊號線的差動訊號，來達(dá)成高速傳輸?shù)哪康摹?br data-filtered="filtered"> USB 主機(jī)端在沒有裝置連接時，D+ D-上會有一個 1.5K 奧姆的電阻接地，確保這兩條線是在接地狀態(tài)?？芍С种?27 個地址，也就是說，一個 USB 系統(tǒng)支持 127 個裝置，主機(jī)會周期性的探詢每個集線器以便得知裝置的連接狀態(tài)。以 USB2.0 而言，分為低速、全速及高速三個模式。低速傳輸率為 1.5M/s ，全速為 12M/s，高速為 480M/s。高速模式時，1 秒 / 480M ，每個 bit 的寬度約 2.08ns。

USB  封包簡介
封包是組成 USB 傳輸?shù)膯挝弧?一個 Transaction 通常由三個封包組成，但依傳輸型態(tài)而定，一個 Transaction 可能包含一個、兩個、三個封包：
圖一 USB 封包架構(gòu)概述

Token  封包：
每個 Transaction 以 Token 封包做起始。Token 封包定義裝置、Endpoint 數(shù)量，傳輸?shù)姆较颉Ｆ渲?SOF (Start Of Frame) Token包含目前的 frame 數(shù)，而且會廣播 (broad­cast) 給所有的 full-speed 裝置知道。SOF 也是一個不目標(biāo)的 Token。TokenPacket 長度固定為 4 個 Byte。

Data  封包：
Data 封包包含處理此動作的數(shù)據(jù)。 一個 Transaction 中， Data 封包的資料量為 1023 個 Bytes， 高速模式時可達(dá) 1024 個 Bytes以上，其中 Data0 及 Data1 是兩個基本的數(shù)據(jù)封包，這些數(shù)據(jù)封包都是接續(xù)在 Address 之后，且 Data0 及 Data1 采取交互出現(xiàn)方式以達(dá)到同步與除錯的效果。 另外在 USB2.0 當(dāng)中更增加了 Data2 及 MData 數(shù)據(jù)封包， 用于執(zhí)行高速的實(shí)時傳輸(IsochronousTransfers)。

e Handshake  封包：
除了實(shí)時型傳輸(Isochronous)之外，所有的傳輸都保證數(shù)據(jù)的傳遞正確。Hand­shake 封包響應(yīng)資料是否正確的被收到。若執(zhí)行處理動作中發(fā)生錯誤，此處理動作將重新執(zhí)行。
封包格式：
封包是執(zhí)行所有處理動作的機(jī)制。圖八是 USB 封包的基本格式。封包緊跟在 Synchro­nization sequence (SYNC，同步列) 之后，Synchronization sequence 使 USB 裝置能跟封包中的位速率同步。封包的 Type 由一個 Packet ID 來定義。Packet ID 之后是隨著封包 Type 而定義的信息，如 Address 或 Data。最后，每個封包以一個 CRC (Cyclic Redundancy Check)做結(jié)尾。CRC 是用來確認(rèn)數(shù)據(jù)是否正確的傳輸。每個封包始使用 EOP (End Of Paekct) 狀態(tài)來做辨識。
圖二 USB 封包的基本格式

Synchronization sequence( 同步序列) ) ：
圖九是 Synchronization sequence 的波形。Synchronization sequence 由八個 bit 組成，數(shù)值是二進(jìn)制的 ，依照 NRZI 編碼原理，數(shù)據(jù) 0 代表訊號要轉(zhuǎn)換，所以前七個 0 之中的每個 Bit 都會在相對應(yīng)的 Bit 時間中轉(zhuǎn)換，作用就好像提供了一組可用來同步的 Clock。
圖三 Synchronization sequence

Packet ID ：
Packet ID定義封包的目的與內(nèi)容。封包主要有四種型態(tài)：標(biāo)志（Token）、數(shù)據(jù)（Data）、交握（Hand­shake）及特殊。其中Token封包定義傳輸?shù)男蛻B(tài)；Data封包接在Token之后，將傳輸?shù)臄?shù)據(jù)輸出或輸入USB裝置中，Handshake則是提供傳輸成功或失敗的訊息，特殊PID是針對USB2.0的PID，包含了PING（檢查端點(diǎn)裝置是否能接受數(shù)據(jù)）、SPLIT（高頻寬的USB分割傳輸）、PRE（低頻寬的USB前導(dǎo)封包）、ERR（分割傳輸任務(wù)錯誤）。
Packet ID 的訊號格式如圖四。 Packet ID 總共有 8 個 Bit， 前四個 Bit 代表 ID(Type Field)， 后 4 個 Bit 是檢查字段 (Check Field)，其值固定是 ID 的反向。如 ID 為二進(jìn)制的 1001，則檢查字段就是 0110，合起來就是 。

圖四 Packet ID 訊號格式
封包種類：
所有處理動作都是由一個 Token 封包開始。USB 定義四種 Token 封包：SOF，IN， OUT，SETUP。圖十一是四個封包的 PID與功能描述。
圖五 四種 Token 封包狀態(tài)

SOF  封包：
USB 裝置用 SOF 封包來判斷訊框的起點(diǎn)。當(dāng)每個 frame 開始的時候，SOF 封包被送至每個全速的裝置。實(shí)時型傳輸裝置可經(jīng)由 SOF 封包來達(dá)到同步傳輸?shù)淖饔?。低速裝置不支持實(shí)時型傳輸，所以 SOF 封包不會送至低速裝置。
如圖六所示，SOF 封包包含一個長度為 11 bit 的 frame number(訊框號碼)，接收器使用 5 bit 的 CRC 位來確認(rèn) frame number。
SOF 封包不含任何數(shù)據(jù)，其傳輸也不保證一定成功。當(dāng) USB 裝置對此 SOF 封包 PID 檢查碼錯誤時，裝置忽略此封包；當(dāng)CRC 檢查錯誤時，忽略此 frame number。注意 PID 與 Frame Number 都是 LSB 在前面 MSB 在后面。

圖六 Start of Frame (SOF)
圖七是一個 SOF 封包的實(shí)際波形。PID 前四個 bit “0101＂ 就是 SOF 封包。PID 之后的是 11 bit 的 Frame Number，這個例子的 Frame Number 是 ，換算為十進(jìn)制就是 1378，也就是第 1378 個 Frame。
圖七 SOF 封包實(shí)際波形

IN  封包：
Token 還有兩種封包，IN 封包與 OUT 封包。所謂 IN 與 OUT 是指對于 PC 而言。IN 封包是 PC 需要由裝置讀進(jìn)來數(shù)據(jù)時使用的；OUT 則是 PC 需要送出數(shù)據(jù)給裝置時使用的。IN 封包可以使用在中斷型傳輸、巨量型傳輸、控制型傳輸?shù)臄?shù)據(jù)時期、實(shí)時型傳輸?shù)葌鬏敗?br data-filtered="filtered"> 圖八是 IN 封包格式示意圖與實(shí)際量測圖。如圖所示，除了基本的 Type 字段與 Check 字段之外，IN 封包包含 7 bit 的 DeviceAddress 與 4 bit 的 End Point Num­ber。執(zhí)行 IN 封包動作時，首先 PC 送出一個 IN 封包，接著裝置回傳一個數(shù)據(jù)封包， 最后 PC 送出一個交握封包給 Device，表示已收到資料。但在實(shí)時型傳輸中，IN 處理動作不使用交握封包。IN 傳輸所能傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量取決于傳輸型態(tài)。
圖八 IN 封包格式示意圖與實(shí)際量測圖
圖九是一個實(shí)際的 IN 封包。PID 的前 4 bit 為 “1001＂ 就是 IN 封包的 ID。再來是 7 bit 的 Address，這個例子的 Address

是 “1＂。再來是 4 bit 的 Endpoint，這個例子的 Endpoint 是 ＂0＂。最后是 5 bit 的 CRC。
圖九 IN 封包實(shí)際波形

OUT  封包：
當(dāng)數(shù)據(jù)將被送出給某個 Device 時，系統(tǒng)會進(jìn)行一個 OUT 傳輸。有三種傳輸型態(tài)用到 OUT 傳輸：巨量型傳輸、控制型傳輸?shù)臄?shù)據(jù)時期、 實(shí)時型傳輸。 OUT 封包除了 PID 之外， 其余數(shù)據(jù)格式都與 IN 封包相同， 一樣有 7 bit 的 Address， 4 bit 的 End­point（如圖十所示）。
圖十 OUT 封包格式示意圖與實(shí)際量測圖
圖十一是一個實(shí)際的 OUT 封包。PID 為“0001＂就是 OUT 封包。這個例子的 Address 是“1＂。再來是 4 bit 的 Endpoint，這個例子的 Endpoint 是 ＂0＂。最后是 5 bit 的 CRC。
圖十一 OUT 封包實(shí)際波形
SETUP  封包：
SETUP 封包只有在控制型傳輸?shù)脑O(shè)定階段使用。SETUP 處理動作啟動一個控制型傳輸，并且定義為設(shè)定階段。SETUP 處理動作在形式上類似一個 OUT 動作： SETUP 封包后跟著一個 Data0 封包與一個回復(fù)封包。SETUP 封包的目的是傳送一個要求給 Device 執(zhí)行。下圖是 SETUP 封包的格式。SETUP 封包除了 PID 之外，其余數(shù)據(jù)格式都與 IN/OUT 封包相同，一樣有 7bit 的 Address，4 bit 的 Endpoint（如圖十二所示）。

圖十二 SETUP 封包格式示意圖與實(shí)際量測圖
圖十三是一個實(shí)際的SETUP封包。 PID為 “1101＂ 就是SETUP封包。 這個例子的 Address是“1＂。 再來是4 bit 的Endpoint，這個例子的 Endpoint 是 ＂0＂。最后是 5 bit 的 CRC。
圖十三 SETUP 封包實(shí)際波形

Data0  與 1 Data1  封包：
Data封包跟在IN、OUT、SETUP三種封包之后。IN封包之后的Data封包是將數(shù)據(jù)傳入PC；OUT與SETUP之后的封包是將數(shù)據(jù)傳出給Device。傳輸數(shù)據(jù)時，Data0封包與Data1 封包是交互的使用，如果此次傳輸數(shù)據(jù)是用Data0封包，則下次傳輸數(shù)據(jù)就是使用Data1封包，反之亦然。這是為了用來當(dāng)作一個同步機(jī)制使用。一個很大量的數(shù)據(jù)，會被切成多個小封包來傳輸，此時 Data0 與Data1封包交互的使用就可以當(dāng)作一個同步的機(jī)制。在高速模式底下還有Data2及MData兩種實(shí)時傳輸數(shù)據(jù)封包。
圖十四是 Data0 與 Data1 的封包格式。PID 為“1100＂就是 Data0 封包，PID 為 “1011＂就是 Data1 封包。

圖十四 Data0 與 Data1 的封包格式
Data2 及 MData 兩種實(shí)時傳輸數(shù)據(jù)封包的 PID 分別為 0111 及 1111。
交握封包  (Handshake Packets) ：
交握封包用來回報處理動作的完成狀況。交握封包有三種。
ACK封包：確認(rèn)數(shù)據(jù)正確無誤的被接收。
NAK封包：告知主機(jī)現(xiàn)在目標(biāo)裝置暫時無法接收或傳回?cái)?shù)據(jù)。
STALL封包：無法完成傳輸，且需要軟件介入以便使得裝置能從STALL狀態(tài)復(fù)原。
在USB2.0中還有一種NYET封包，表示數(shù)據(jù)尚未備妥無法傳輸。NYET的PID為0110。
圖十五是三種交握封包的格式圖。交握封包沒有資料，也沒有 CRC，只有 SYNC 與 PID。ACK 的 PID 是 0010，NAK 的 PID是 1010，STALL 的 PID 是 1110。
圖十五 三種交握封包格式圖
前導(dǎo)封包 (Preamble Packet) ：
前導(dǎo)封包用在低速傳輸時。 在傳送一個低速封包前， 一個前導(dǎo)封包必須被送出， 主機(jī)保證前導(dǎo)封包之后的封包是低速傳送。
圖十六是前導(dǎo)封包示意圖。 前導(dǎo)封包由一個 SYNC 與一個 PID 組成， PID 是 1100。 有一點(diǎn)必須注意的是， 前導(dǎo)封包不以 EOP結(jié)尾。

圖十六 前導(dǎo)封包示意圖
USB2.0  總線協(xié)議模塊設(shè)定
圖十七 孕龍科技 USB2.0 分析模塊
總線協(xié)議模塊設(shè)定方便又快速， 如圖十八所示使用者只需要依照連接說明將USB2.0硬件模塊連接至邏輯分析儀，在 USB2.0 總線協(xié)議模塊中設(shè)定高速模式，點(diǎn)下 OK 后就可以將 USB2.0 訊號譯碼。

圖十八 USB2.0 總線協(xié)議模塊
串行協(xié)定封包列表
為更加方便分析以及提高效率，孕龍邏輯分析儀更加在新版軟件中加入串行協(xié)議封包列表功能，能夠?qū)⒋杏嵦柌扇》獍温滹@示以直列方式把數(shù)據(jù)內(nèi)容顯示出來，讓使用者清楚了解各封包先后出現(xiàn)的時序關(guān)系。圖十九為USB2.0 訊號使用串行協(xié)議封包列表顯示的結(jié)果

圖十九 USB2.0 訊號使用串行協(xié)議封包列表顯示的結(jié)果
在圖十九中的封包列表，除了將各種 USB2.0 封包使用直列方式顯示外，在封包列表窗口上方更設(shè)置了過濾條件，依照 USB PID 規(guī)范可對已擷取封包進(jìn)行篩選，更可在龐大的數(shù)據(jù)封包中快速進(jìn)行分析。

USB2.0信號測試分析應(yīng)用方案總結(jié)
總線協(xié)議常常被應(yīng)用在嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，但是若僅使用示波器分析這些訊號是非?；ㄙM(fèi)時間的，孕龍的PC-BASE 邏輯分析儀可以提供工程師們更*的觸發(fā)功能、近百種的總線協(xié)議譯碼模塊及便利的數(shù)據(jù)搜尋，讓工程師在開發(fā)產(chǎn)品時更能夠得心應(yīng)手，近期更推出了可與各大廠牌示波器進(jìn)行堆棧，藉以同時測量數(shù)字及模擬信號，快速解決電路開發(fā)中各種難題。