每周分享】USB协议波形中的SOF包为何如此设计？令我疑惑不解
前几天使用逻辑分析仪并按如下配置抓取了USB键盘的USB通信波形：
差分信号线D+和D-，即为Data+和Data-；
USB通信速度为full sped全速模式；
在没有任何按键操作的时候，同时Wireshark工具也没有监控到USB键盘和电脑的通信报文的时候，我起初以为这个时候应该没有波形才对，可是事实证明我错了：逻辑分析仪上面却是抓到了周期约为1ms的波形数据（这个1ms而已可以称为总线空闲时间）：
打开看了一下波形数据详情，格式上都一样，如下面所示标注为“SOF”字样的协议波形：
实际时间不是刚好1ms，而是集中在997us左右，差了3us，但这种误差已经超出了USB2.0规范对SOF包发送周期的误差范围限制，即允许误差是±0.05%（0.9995 ms 至1.0005 ms），那为什么这里会有3us左右的时间呢？其实我们可以计算一下SOF包的总线有效带宽时间（SOF包传输时间）1000us-997us=3us：
也可以来计算一下：
SOF包总共32个bit位，全速USB的时钟频率是12MHz，则SOF包的传输时间为:
(1/12)*32+ 250= 83.3333ns*32+250ns = 2916ns，近似3us，刺激吧？
我们从逻辑分析仪上导出时间数据，也可以看出每个数据点的耗时，可以精确到ns：
对于这种周期固定且波形格式一样的数据，就好像那种“心跳包”一样，比如wifi模块什么的都有这种机制，其主要目的是主机为了与设备保持连接状态，防止设备断连。
于是乎进一步研究了一下SOF：
SOF究竟是什么呢？USB协议用它来干啥的？
所谓的SOF，其实是一种数据包，在全速（Full Speed，12Mbps）USB通信时，主机为了保证同步和确定时间基准，会严格按照每1ms一次的频率发送这个SOF包，它标志着每一帧的开始，所以其全称其实就是Start Of Frame，即为帧起始包。
另外，如果是在高速（High Speed，480Mbps）USB通信，那么我在逻辑分析仪上看到的SOF包的周期应该是125us；而对于低速（Low Speed，1.5Mbps）设备，是不接收SOF包的，它们依靠集线器产生的“Keep Alive”信号来维持状态。
当然我们这里所说的USB通信速率，主要是针对USB2.0标准来说的，对于USB3.0标准，当然更快。
那它有什么作用呢？
在USB协议通信中，SOF包的作用主要体现在下面三个方面：
1、标记帧起始与同步：
它是主机定义时间基准的关键信号，告诉所有设备“新的1毫秒周期开始了”，此时设备可以校准自身时钟，从而实现与主机的时序同步；鉴于此，MCU的USB时钟源尽量使用外部时钟，其精度比内部时钟要好一些；
2、防止设备休眠：
在总线上没有数据传输，也就是总线处于空闲状态时，这些周期性发送的SOF包就像“心跳”信号一样，能让设备继续保持工作状态，不会误以为被断开而进入低功耗模式；
3、支撑同步传输：
对于音频、视频等对实时性要求高的实时传输，设备会利用SOF包来确保数据流以稳定的速率发送，从而避免卡顿或不同步等现象。
现在我们对SOF包有个基本概念了，那接下来我们再一起来看看SOF包的帧格式，以及为什么要这么设计呢？
我们以下面这个波形为例，先来说说波形上相关符号的含义：
我们可以看出来：
SOF包主要包括4个字段（Packet fields）：SYNC、PID、Frame、CRC5；其中SYNC的位规则和其他三个不一样，后三个是按照LSB在前读取的，SYNC则相反。
那“USB singnalling:Symbols”对应的K和J是什么含义呢？
J 和 K 并非代表数字“0”或“1”，而是USB协议定义的两种差分信号状态，是USB通信中最基础的物理信号单元，通过D+和D-两条数据线的电压高低来共同表示，即：
对于全速/高速设备：
D+为高电平，D-为低电平：表示J状态；
D-为高电平，D+为低电平：表示K状态；
USB总线的空闲状态一般是被定义为J状态，如下图所示：
当主机要发送一个SOF包时，它会驱动总线从空闲的J状态切换到K状态。这个由J到K的跳变，就是数据包开始的明确信号:
当遇到数据0时，信号电平翻转（J变K，K变J）；当遇到数据1时，信号电平保持不变（J保持J，K保持K），如下图这样：
SOP的含义：
Start OfPacket，标志数据包的开始；
EOP的含义：
End OfPacket，标志数据包的结束；
SE0的含义：
Single-EndedZero，D+和D-两条线同时为低电平；这个状态非常重要，用于表示数据包结束（EOP）、总线复位（Reset）以及设备断开连接；
另外，如果出现SE1，即D+和D-两条线同时为高电平，注意了，这是一个非法的总线状态，它的出现通常表示发生了错误。
说完波形上相关的符号所代表的含义后，接下来我们再逐个讲解SOF包的4个字段：
1、SYNC：
同步域，占8个bit位，是必不可少的前导码，其核心作用是实现接收端与发送端的时钟同步，并标记数据包的开始；
在USB的NRZI编码规则下，SYNC是一串固定的二进制序列，即低速和全速USB设备为00000001，高速USB设备为00000000000000000000000000000001（占32个bit位）；
如果用K和J信号符号来解释的话，SYNC序列是一串特定的“KJ”交替信号 “KJKJKJKK”：
接收端通过锁定这个固定的翻转模式，可以校准自己的时钟，与主机发送的数据速率保持同步；
另外，需要注意的是，不止是SOF包有SYNC信号，，USB总线上的每一个数据包（如事务包、数据包等），都是以SYNC开头的，如下图所示这些通过USB专用的协议分析仪（lecroy USB advisor bus andprotocol analyzer）抓取的帧数据包：
或者我按键时产生的波形数据也会有SYNC：
当SYNC出现非00000001的其他值的时候，就表示出现了SYNC ERROR，就需要你分析原因了：
我的这个设备就出现了，但目前还没发现有什么影响？不过也在排查原因中……
2、PID：
包标识符，Packet ID，占8个bit位，SOF包的PID是固定的，为10100101（0XA5），其作用即为标识该数据包是一个SOF包；其中低4位是类型，高4位是低4位的校验码，按位取反所得，如下图所示：
发送时按照最低有效位LSB优先的顺序在总线上传输。
3、Frame：
帧编号，Frame Number，占11个bit位，表示当前是第多少个SOF包，即随SOF包递增加1，达到最大值后又重新开始递增；比如下面这两个连续的SOF包：
4、CRC5：
5位循环冗余校验码，主要是对帧编号进行校验，占5个bit位，其计算核心是一个初始值为全1（USB规范中的强制要求，与许多CRC算法从0开始不同）、输入数据低位在前、最后结果按位取反的CRC算法。
以上通过结合波形数据对USB协议波形的SOF包进行了拆解和分析，疑惑的我算是知道为何要如此设计了。
另外，当我按下USB键盘的按键时，会产生更多的波形数据，如下所示：
……
咋一看，里面有地址address信息，端点endpoint信息等，这个地址为38，其实就是我这个USB键盘当前的设备地址，这不就和Wireshark抓包的数据包对应上了嘛，至于USB协议的解析，后续有机会再写了，估计内容会比较多，需要些时间。
果真是：活到老，学到老，学无止境！
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作者：dffzh
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