USB如何通過兩根數據線完成通信？

USB通信格式

USB接口最少有四根線連接，其中有兩根是數據線，而所有的USB數據傳輸都是通過這兩根線完成的，那麼它是怎麼做到的？

我們知道，串口為了實現通信，規定了起始位、停止位，有時候也可能增加奇偶校驗位，如果你知道了串口的波特率，那麼你就可以正確的接收到發送方發來的數據。那麼USB應該也有相應的通信格式要求才對，那它的格式是怎麼樣的？

串口中高電平代表1，低電平代表0，並且是全雙工通信，即可以同時發送和接收數據。而 USB 有所不同，它雖然也有兩根數據線，但它們卻是採用差分傳輸，即需要兩根數據線配合才能傳輸一個bit，因此是半雙工通信，同一時間只能發送或者接收。

首先我們需要了解一下差分 0 和差分 1 這兩種狀態：差分1：數據線 D+ 為高電平， D- 為低電平時為差分 1；差分0：數據線 D+ 為低電平， D- 為高電平時為差分 0。

但是要注意的是，這裡的差分0、差分1可不是代表數據0和1，而僅僅只是數據線表現的狀態，和真正的數據還有距離。USB 規定，如果電壓電平不變，代表邏輯1；如果電壓電平變化，則代表邏輯0，這就是 NRZI 。

看下圖進行理解：

USB不通信時，數據線處於閒置狀態（類似於串口的高電平閒置），一旦需要開始通信，首先切換到K狀態（類似串口的起始位），再進行實際的數據傳輸，在這裡傳輸的數據為 000011，實際的數據線狀態為差分101000，傳輸完畢後需要發送結束信號EOP：2位的 SE0，再加 1 位的J狀態（類似串口的停止位）。

這裡只是簡單的說明，實際上的數據傳輸比這個還要複雜一些，但大體是一致的。並且需要注意的是，上述描述的閒置狀態和J、K等狀態和設備類型有關，即全速設備和低速設備這些狀態的定義不同（這個可能和設備數據線的上拉電阻位置相關）。

AN57294採用 NRZI 編碼的好處是可以不需要時鐘線進行同步，但是為了實現準確的採樣，需要兩個條件：

1、 數據傳輸前需要發送同步域（SYNC），這個域固定為 0000 0001，通過NRZI編碼後就是一串方波信號，接收者可以通過方波信號確定採樣率（可以認為是串口的波特率）。

2、 因為數據中有大量的0，可以讓接收者通過信號的變化不斷調整採樣頻率，但是如果剛好數據中沒有0怎麼辦？

一旦有大量的1存在於數據線上，那麼數據線的電平將長時間不會發生變化，也就無法進行速率的同步，一旦接收者和發送者各自的時鐘頻率存在誤差，那麼很可能因為長時間沒有電平變化而導致採樣失敗（誤差長時間累積），所以 bit-stuffing 出現了，即所謂的強制插 0。USB規定，如果有7個連續的邏輯 1 ，需要在第 6 個 1 之後插入一個邏輯0來實現位填充，這樣D+和D-就會發生變化，從而讓接收者實現時鐘同步。在接收時，只要將6個邏輯1後的0刪除就可以恢復數據。

可以看到，6個連續的1之後強制插入了一個0進去，這樣即使接收方和發送方各自的時鐘存在誤差，也可以通過信號的變化實時同步，從而準確的進行採樣。以上內容就是 USB 為什麼只需要兩根線就能進行快速進行數據傳輸的關鍵。

USB 數據包

下面再來聊聊數據包：

前面這張圖介紹了如何通過 USB 數據線傳輸000011 數據，事實上在 USB 中，所有的數據都是以包（Packet）的形式進行傳輸的，而數據包是有一定的格式，也就是說，為了傳輸00011，需要按照包的格式才能正確傳輸。數據包有如下組成部分：

首先是 SOP（即從閒置狀態到K狀態），然後是 SYNC，即前面提到的同步域，用於接收方的時鐘同步，其次才是我們需要傳輸的數據內容，最後是 EOP（2位 SE0，1位J狀態）。如此，你的數據（PacketContent）才能被接收方正確接收。

數據包分為四大類：

令牌 (Token) Packet

幀首 (Start of Frame) Packet

數據 (Data) Packet

握手 (Handshake) Packet

每一類又可能分為多種具體的數據包，比如令牌包分為OUT、IN、SETUP等數據包，每一類中的 Packet Content 內容可能是不一樣的，比如：

令牌 (Token) Packet

（灰色部分代表不存在）

幀首 (Start of Frame) Packet

數據(Data)Packet

握手(Handshake) Packet

（灰色部分代表不存在）