USB通信格式

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，那它的格式是怎么样的？

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 。

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。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）。

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。