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USB2.0信號測試分析應用方案前言
USB 是很常見的串行協議。USB 有熱插拔的特性，當 USB 裝置插入主機時，主機會偵測到，并且軟件會對其作規劃，即插即用。USB 的連接線供應裝置電源，可提供 DC +5V 的電壓，電流供應約 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，來達成高速傳輸的目的。
USB 主機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。可支持至127 個地址，也就是說，一個 USB 系統支持 127 個裝置，主機會周期性的探詢每個集線器以便得知裝置的連接狀態。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 傳輸的單位。 一個 Transaction 通常由三個封包組成，但依傳輸型態而定，一個 Transaction 可能包含一個、兩個、三個封包：
圖一 USB 封包架構概述
Token 封包：
每個 Transaction 以 Token 封包做起始。Token 封包定義裝置、Endpoint 數量，傳輸的方向。其中 SOF (Start Of Frame) Token包含目前的 frame 數，而且會廣播 (broadcast) 給所有的 full-speed 裝置知道。SOF 也是一個不目標的 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據。 一個 Transaction 中， Data 封包的資料量為 1023 個 Bytes， 高速模式時可達 1024 個 Bytes以上，其中 Data0 及 Data1 是兩個基本的數據封包，這些數據封包都是接續在 Address 之后，且 Data0 及 Data1 采取交互出現方式以達到同步與除錯的效果。 另外在 USB2.0 當中更增加了 Data2 及 MData 數據封包， 用于執行高速的實時傳輸(IsochronousTransfers)。
e Handshake 封包：
除了實時型傳輸(Isochronous)之外，所有的傳輸都保證數據的傳遞正確。Handshake 封包響應資料是否正確的被收到。若執行處理動作中發生錯誤，此處理動作將重新執行。
封包格式：
封包是執行所有處理動作的機制。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。后，每個封包以一個 CRC (Cyclic Redundancy Check)做結尾。CRC 是用來確認數據是否正確的傳輸。每個封包始使用 EOP (End Of Paekct) 狀態來做辨識。
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，數值是二進制的 00000001，依照 NRZI 編碼原理，數據 0 代表訊號要轉換，所以前七個 0 之中的每個 Bit 都會在相對應的 Bit 時間中轉換，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容。封包主要有四種型態：標志（Token）、數據（Data）、交握（Handshake）及特殊。其中Token封包定義傳輸的型態；Data封包接在Token之后，將傳輸的數據輸出或輸入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（檢查端點裝置是否能接受數據）、SPLIT（高頻寬的USB分割傳輸）、PRE（低頻寬的USB前導封包）、ERR（分割傳輸任務錯誤）。
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 為二進制的 1001，則檢查字段就是 0110，合起來就是 10010110。
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
SOF 封包：
USB 裝置用 SOF 封包來判斷訊框的起點。當每個 frame 開始的時候，SOF 封包被送至每個全速的裝置。實時型傳輸裝置可經由 SOF 封包來達到同步傳輸的作用。低速裝置不支持實時型傳輸，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 frame number。
SOF 封包不含任何數據，其傳輸也不保證一定成功。當 USB 裝置對此 SOF 封包 PID 檢查碼錯誤時，裝置忽略此封包；當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 10101100010，換算為十進制就是 1378，也就是第 1378 個 Frame。
圖七 SOF 封包實際波形
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 需要由裝置讀進來數據時使用的；OUT 則是 PC 需要送出數據給裝置時使用的。IN 封包可以使用在中斷型傳輸、巨量型傳輸、控制型傳輸的數據時期、實時型傳輸等傳輸。
圖八是 IN 封包格式示意圖與實際量測圖。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據封包， 后 PC 送出一個交握封包給 Device，表示已收到資料。但在實時型傳輸中，IN 處理動作不使用交握封包。IN 傳輸所能傳輸的數據量取決于傳輸型態。
圖八 IN 封包格式示意圖與實際量測圖
圖九是一個實際的 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＂。后是 5 bit 的 CRC。
圖九 IN 封包實際波形
OUT 封包：
當數據將被送出給某個 Device 時，系統會進行一個 OUT 傳輸。有三種傳輸型態用到 OUT 傳輸：巨量型傳輸、控制型傳輸的數據時期、 實時型傳輸。 OUT 封包除了 PID 之外， 其余數據格式都與 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際量測圖
圖十一是一個實際的 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＂。后是 5 bit 的 CRC。
圖十一 OUT 封包實際波形
SETUP 封包：
SETUP 封包只有在控制型傳輸的設定階段使用。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 封包與一個回復封包。SETUP 封包的目的是傳送一個要求給 Device 執行。下圖是 SETUP 封包的格式。SETUP 封包除了 PID 之外，其余數據格式都與 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際量測圖
圖十三是一個實際的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＂。后是 5 bit 的 CRC。
圖十三 SETUP 封包實際波形
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封包是將數據傳入PC；OUT與SETUP之后的封包是將數據傳出給Device。傳輸數據時，Data0封包與Data1 封包是交互的使用，如果此次傳輸數據是用Data0封包，則下次傳輸數據就是使用Data1封包，反之亦然。這是為了用來當作一個同步機制使用。一個很大量的數據，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作一個同步的機制。在高速模式底下還有Data2及MData兩種實時傳輸數據封包。
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 兩種實時傳輸數據封包的 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：確認數據正確無誤的被接收。
NAK封包：告知主機現在目標裝置暫時無法接收或傳回數據。
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狀態復原。
在USB2.0中還有一種NYET封包，表示數據尚未備妥無法傳輸。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
前導封包 (Preamble Packet) ：
前導封包用在低速傳輸時。 在傳送一個低速封包前， 一個前導封包必須被送出， 主機保證前導封包之后的封包是低速傳送。
圖十六是前導封包示意圖。 前導封包由一個 SYNC 與一個 PID 組成， PID 是 1100。 有一點必須注意的是， 前導封包不以 EOP結尾。
圖十六 前導封包示意圖
USB2.0 總線協議模塊設定
圖十七 孕龍科技 USB2.0 分析模塊
總線協議模塊設定方便又快速， 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 總線協議模塊中設定高速模式，點下 OK 后就可以將 USB2.0 訊號譯碼。
圖十八 USB2.0 總線協議模塊
串行協定封包列表
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議封包列表功能，能夠將串行訊號采取封包段落顯示以直列方式把數據內容顯示出來，讓使用者清楚了解各封包先后出現的時序關系。圖十九為USB2.0 訊號使用串行協議封包列表顯示的結果
圖十九 USB2.0 訊號使用串行協議封包列表顯示的結果
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置了過濾條件，依照 USB PID 規范可對已擷取封包進行篩選，更可在龐大的數據封包中快速進行分析。
USB2.0信號測試分析應用方案總結
總線協議常常被應用在嵌入式系統的設計中，但是若僅使用示波器分析這些訊號是非常花費時間的，孕龍的PC-BASE 邏輯分析儀可以提供工程師們更強大的觸發功能、近百種的總線協議譯碼模塊及便利的數據搜尋，讓工程師在開發產品時更能夠得心應手，近期更推出了可與各大廠牌示波器進行堆棧，藉以同時測量數字及模擬信號，快速解決電路開發中各種難題。
關于孕龍
「孕龍科技股份有限公司」Zeroplus Technology Co., Ltd.，于 1997 年創立。在 2004 年擴展事業版圖于電子量測儀器市場，研發團隊擁有新進微處理控制技術，開發出新技術之量測儀器－「PC-Based 邏輯分析儀」 ；du家創新技術獲得多項技術，申請國家遍及各地，目前仍持續增加數量與國家。2005 年甫上市即獲得產業界 IC 上市公司等數百家科技大廠，及各大高等教育學府采用，締造優異銷售成績，成為中國臺灣*zui高的邏輯分析儀。
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