============= 本系列參考 =============
《圈圈教你玩USB》、《Linux那些事兒之我是USB》
協議文件：https://www.usb.org/document-library/usb-20-specification usb_20_20190524/usb_20.pdf
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前言：
我們先不一上來講USB大而全的協議規範文件， 會讓人退而卻步， 只要有協議， 在資料傳輸上波形就有規律可循， 翻譯成資料， 也先不管USB1.1/2.0等版本， 因為最終的傳輸單元是一樣的
一. 最基本傳輸單位 --包（packet）
1.電氣訊號：
a. 採用D+/D-差分訊號傳輸， LSB在前， NRZI編碼也就是0反轉， 1不反轉， 遇到連續6個1強插一個0
b. 低速Lowspeed 1.5Mb/s， 全速Fullspeed 12Mb/s， 高速Highspeed 480Mb/s， USB1.1支援L/F USB2.0支援L/F/H USB3.0也支援L/F/H 同時支援OTG功能
c. OTG(on the go) 就是多了根ID線， 用於判斷主控器作Host還是device
d. L/F S採用電壓傳輸（3.3v）， HS採用電流傳輸（等效電阻後示波器顯示400mv）
e. 傳輸方向以Host為準， 即IN表示device資料到Host， OUT表示Host資料到device
f. 插入上電波形分析（下面單獨抽出來分析）
2. packet格式
SYNC同步域 + PID域 + 資料域 + CRC + EOP
a. 同步域： L/FS 固定00000001， HS前面31個0後一個1
b. PID佔一個位元組，高4bit是低4bit的反碼， 用於校驗PID本身， 而PID[3:0] 表示該packet的型別（協議文件8.3.1）：
打*表示USB1.1不支援的， 而USB2.0全支援， 這裡要特別注意令牌包， 任何事務傳輸， 必須先發個令牌包說明意圖， 至於後面是否需要資料包還是握手吧取決事務型別（下面會說）
c. 資料域是可選的， 取決PID是不是資料包（DATA0/1/2/M）
d. CRC也是可選的， PID自校驗，所以只對資料域校驗， 若資料域沒有那CRC也沒有， 令牌包的資料域採用CRC5校驗， 資料包的資料域採用CRC16校驗
e. EOP結束包， 對於L/FS是兩個資料位寬的SE0訊號（D+/D-都是0）， 對於HS使用故意位填充表示（待具體解釋）
f. 空閒狀態， 在SYNC同步域前和EOP後 匯流排上處於空閒狀態， L/FS是一根高電平一根低電平（也就是J或K狀態， 後面會講）， HS是SE0表示空閒狀態
g. SYNC同步域、EOP、CRC是硬體發射器自動新增和硬體接收器自動解析的， 軟體看到的只有PID域和資料域
2. packet型別
根據PID[3:0]可以將包的型別分成4類
a. 令牌包： 一次USB傳輸必須首發令牌包， 告知意圖， 同時後面資料表示跟哪個裝置及端點通訊， 這點很重要， 設想一下一個Host接了很多外設， Host發出的訊號會到達所有hub和普通外設， 如何避免串擾呢？
那就是匯流排某一時刻只有一個外設與Host通訊， 外設硬體介面只響應令牌包， 因為令牌包的資料域表示裝置的地址和端點地址， 外設可以解析是否和自己匹配， 如果是則響應（使能硬體接收資料）， 以及後續的資料包互動， 如果不是
就不響應， 當然後續的資料包也會被外設硬體遮蔽， 不理會匯流排訊號， 除非一段時間後又檢測到令牌包， 再次進行地址匹配， 符合才使能硬體接收匯流排上的訊號
IN OUT SETUP 包的資料域包含7bit裝置地址和4bit端點地址， 所以一個Host能夠最多接127個裝置（0是外設剛插入時的預設地址， 握手後必須賦值非0， 不然下一個裝置也是0就衝突了）， 一個裝置端點最多隻能16個（端點0是必須的， 所以其他最多15個）
SOF（幀起始包） 相當於心跳包， 讓所有外設知道Host還在活動（哪怕Host不是跟該裝置通訊但起碼知道跟其他裝置通訊）， L/FS每隔1ms發一次， 每發一次11bit幀號加1， HS把1ms分割8份即每隔125us發一次， 但這8份裡面的11bit幀號是相同的
這個心跳包主要用於休眠喚醒用的， 當Host沒有發SOF超過3ms時（一般是Host自己進入休眠或者想外設休眠）， 外設設定自己進入低功耗狀態（如果支援）， 然後進入監聽模式如果檢測到匯流排有訊號變化（只要跟睡眠前不一樣）立即喚醒，
可能是Host要召喚裝置了， 當然裝置也可以喚醒Host， Host進入休眠也會設定監聽匯流排狀態，外設被人為喚醒改變匯流排訊號接著喚醒Host
b. 資料包： 這沒啥好說的就是PID表明自己是資料包（DATA0還是DATA1主要用於 確保對方收到）， 後面就是位元組資料了， 這裡需要注意就是沒有告知這個資料包到底多少個資料， 所以我猜想外設接收PID域後， 每接收一個位元組counter計數器加1
直到EOP， 然後減2 CRC16校驗值就是資料量， 接著對FIFO資料CRC16和最後兩個位元組對比， 不一致就產生資料錯誤中斷， 一致就產生資料成功中斷並將資料量填充RX counter暫存器
c. 握手包： 告知對方狀態， 比如Host傳送IN令牌包， 接著裝置傳送資料包， 然後Host接收完傳送ACK握手包告知裝置成功接收
不用資料域！
d. 特殊包主要用於高速， 比如上面Host發完IN令牌包後， 裝置應該要發資料包的， 但裝置還沒準備好資料， 導致Host等待超時， Host可以再次發IN包讓裝置進入傳送資料， Host切換等待接收資料狀態，
這裡有兩個小問題， 一是裝置資料未準備好， 卻沒有有效方式告知Host， 只能啥都不做靠超時告知， 浪費Host時間， 二是IN包讓裝置進入傳送資料模式， 裝置有資料早發了還等你吹， 還讓外設進入傳送模式影響準備資料
而PING特殊包就是當第一次超時後， Host不發IN包改發PING包詢問裝置準備好沒， 裝置若準備好了回覆ACK握手包， 接著Host再發IN包， 如果還沒準備好就發NAK告知， Host就知道裝置還沒準備好而不用死等超時，
其他幾個讀者可自行查閱
總結： 匯流排是一個一個packet傳輸的， 且訊號達到所有外設， 當傳送SYNC域所有外設接收並調整時鐘取樣點做好同步， 接著解析PID域， 如果是非令牌包就不理會（只有已被選中的外設才理會）， 如果是令牌包就解析後面地址是否和自己匹配，
不匹配繼續不會理， 匹配的使能硬體接收資料功能， 並根據PID是IN OUT SETUP SOF再細分， 如果是OUT，產生OUT中斷， 軟體應該清空使能FIFO準備接收資料， 如果是IN， 產生IN中斷， 軟體要填充好即將發的資料然後使能端點傳送，
如果是SETUP包（Host會接著發DATA0資料包資料域包含8個位元組的標準請求）， 裝置要清空特殊FIFO並做好接受下一個資料， 接受完才產生SETUP中斷， 軟體就解析FIFO裡的8byte標準請求， 然後準備資料， 比如是獲取裝置描述符請求
那軟體得準備好裝置描述符快取並ACK（必須ACK不能NAK）回覆， 然後Host會發IN包， 接著裝置IN中斷將剛才準備好的裝置描述符快取丟到端點0發出去！
如果是SOF包， 裝置會重置時間計數器， 當3ms內沒有新的SOF包， 就會產生中斷， 裝置知道匯流排現在是空閒狀態， 可以自行決定是否休眠
二、 事務--四種傳輸型別
一個個packet只是一盤散沙， 通過組織起來作為一個有效傳輸我們稱之為事務， 所以一個事務起碼包含：
一個令牌包， 通過地址選中具體外設
可選的資料包， 如果是IN/OUT/SETUP包那後續有資料包， 如果是 SOF則資料包和握手吧都沒有
可選的握手包， 像視訊聊天這種實時傳輸不需要ACK應該， 丟了就丟了， 省下頻寬不如用來發資料
因此， 根據具體的使用場景， 事務可以分成四種傳輸型別：
1. 批量傳輸（Bulk transfers ）
一個批量事務包含三個階段， 令牌包階段 + 資料包階段 + 握手包階段， 其中資料包階段可以發一個或多個資料包
以Beagle USB 480 邏輯分析儀抓U盤上電時序時為例， 期間Host（PC機）會讀取U盤資料（bluk傳輸）， 我們可以猜測應該發一個讀取U盤根目錄命令， 然後讀取扇區資訊， 如下：
一個讀取扇區資訊命令分別為 Command + Data + Status， Command是一個寫操作， 往裝置傳送資料告知想幹嘛， 然後就是讀資料， 最後檢查狀態， 可以看到這些操作都由三個packet構成 IN/OUT令牌包 + 資料包 + 握手包
因為U盤每次操作只能512byte/block， 所以想讀取多個扇區只能分多次IN操作（傳輸最大位元組數端點描述符有說明）
2. 中斷傳輸（Interrupt transfers ）
一箇中斷事務跟批量事務類似， 不同在於傳輸量比較少， 且希望Host每隔一段時間來訪問裝置（不是靠硬體中斷告知系統， 而是端點描述符有個時間間隔變數， 告知Host最好小於這個時間間隔來訪問裝置）， 像滑鼠鍵盤都是這類傳輸模式，
以Beagle USB 480 邏輯分析儀抓鍵盤為例：
這裡可以看出三點， 一是Host每間隔x時間就發起一次讀取鍵盤資料操作（還是老樣子 IN包 + DATA0包 + ACK包）； 二是如果我沒敲鍵盤， 則裝置NAK告知Host沒有資料； 三是間隔時間約 72/10 344/44 = 8ms
檢視鍵盤端點描述符bInterval=1， 根據datasheet代表1ms， 即鍵盤希望Host每隔1ms讀取一次資料， 但採不採納在於Host端
3. 等時傳輸（Isochronous transfers ）
等時事務跟前兩種也差不多， 不同在於對時間敏感， 對資料準確性不關心， 所以不需要握手包， 主要用於音訊、視訊類裝置
4. 控制傳輸（Control transfers ）
控制傳輸稍微複雜一點， 上面三個一個傳輸就是一個事務， 但控制傳輸有三個狀態， 每個狀態對應一個事務， 所以需要三次事務
三次過程分別為：
建立過程：SETUP令牌包 + DATA0資料包（標準請求就在這） + ACK握手包（裝置必須返回ACK， 不能NAK 如果裝置連這個都不能保證的話就別玩了）
資料過程： 可選， 如上面是獲取裝置描述符這裡就是 IN令牌包 + DATA1資料包 + ACK握手包； 如果是設定地址請求， 地址在請求內部了， 不需要資料過程
狀態過程： 上面的資料過程必須是同一個方向的， 如果方向改變， 則就是狀態過程， 如果沒有資料過程， 則這個資料包就是狀態過程不管哪個方向
以Beagle USB 480 邏輯分析儀抓U盤為例：
從捕捉的資料可看到， 建立過程的資料包包含著標準請求 80 06 00 01 00 00 12 00 （小端排序） ， 前面的C3是PID， 後面E0 F4 是CRC16， 可以通過http://www.ip33.com/crc.html 驗證
80 06 0100 0000 0012 struct usb_ctrlrequest { __u8 bRequestType; //0x80 __u8 bRequest; //0x06 __le16 wValue; //0x100 __le16 wIndex; //0 __le16 wLength; //0x12 } __attribute__ ((packed));
具體請參考協議文件9-4
上面log還有個有趣的現象： 狀態過程傳送1位元組0x00資料包， U盤竟然返回NAK， 不知為何， 由於是高速模式下， 所以Host接下來會發PING包探測U盤是否ready， 直到U盤迴復ACK才再次傳送OUT包，如果是L/FS則繼續發OUT包直到接收ACK
剩餘資料的解析將在下一篇博文講解！