從零開始學USB（六 USB通訊的資料格式）

前面章節已經學習過了usb的引腳定義了，但是對於其中的usb 2.0的兩根資料線d+和d-所對應的資料傳輸，卻沒有詳細介紹。此處就是介紹，在此序列資料線中，資料是如何被編碼和傳送的。

usb所傳輸的資料，用的資料編碼方式是nrzi（non-return-to-zero inverted），其具體的含**釋，看到有位網友已經非常清晰的分析過了，我就不重複造輪子了。

usb 的 nrzi 編碼

為了防止這位網友的伺服器出問題，下面我再複製乙份。

這兩天繼續看 usb 相關的內容，準備用純軟體實現一下 usb 裝置傳輸，為將來的專案打好基礎。

首先碰到的就是這個 nrzi 編碼的問題了，基礎太薄弱，看了一上午總算明白了大概。

首先，usb 的資料是序列傳送的，就像 uart、i2c、spi 等等，連續的01 訊號只通過一根資料線傳送給接受者。

但是因為傳送者和接收者執行的頻率不一樣，訊號的同步就是個問題，比如，接受者接收到了乙個持續一段時間的低電平，無法得知這究竟是代表了5個0 還是1000個0。

乙個解決辦法，就是在傳輸資料訊號的同時，附加乙個時鐘訊號，用來同步兩端的傳輸，接受者在時鐘訊號的輔助下對資料訊號取樣，就可以正確解析出發送的資料了，比如 i2c 就是這樣做的，sda 來傳輸資料，scl 來傳輸同步時鐘：

圖為i2c資料編碼格式

雖然這樣解決了問題，但是卻需要附加一根時鐘訊號線來傳輸時鐘。有沒有不需要附加的時鐘訊號，也能保持兩端的同步呢？

有的，這就是 rz 編碼（return-to-zero code），也叫做歸零編碼。

在 rz 編碼中，正電平代表邏輯 1，負電平代表邏輯 0，並且，每傳輸完一位資料，訊號返回到零電平，也就是說，訊號線上會出現 3 種電平：正電平、負電平、零電平：

圖為歸零編碼

從圖上就可以看出來，因為每位傳輸之後都要歸零，所以接收者只要在訊號歸零後取樣即可，這樣就不在需要單獨的時鐘訊號。實際上， rz 編碼就是相當於把時鐘訊號用歸零編碼在了資料之內。這樣的訊號也叫做自同步（self-clocking）訊號。

這樣雖然省了時鐘資料線，但是還是有缺點的，因為在 rz 編碼中，大部分的資料頻寬，都用來傳輸「歸零」而浪費掉了。

那麼，我們去掉這個歸零步驟，nrz 編碼（non-return-to-zero code）就出現了，和 rz 的區別就是 nrz 是不需要歸零的：

圖為非歸零編碼

這樣，浪費的頻寬又回來了，不過又喪失寶貴的自同步特性了，貌似我們又回到了原點，其實這個問題也是可以解決的，不過待會兒再講，先看看什麼是 nrzi：

nrzi 編碼（non-return-to-zero inverted code）和 nrz 的區別就是 nrzi 用訊號的翻轉代表乙個邏輯，訊號保持不變代表另外乙個邏輯。

usb 傳輸的編碼就是 nrzi 格式，在 usb 中，電平翻轉代表邏輯 0，電平不變代表邏輯1：

圖為nrz和nrzi

翻轉的訊號本身可以作為一種通知機制，而且可以看到，即使把 nrzi 的波形完全翻轉，所代表的資料序列還是一樣的，對於像 usb 這種通過差分線來傳輸的訊號尤其方便~

現在再回到那個同步問題：

的確，nrz 和 nrzi 都沒有自同步特性，但是可以用一些特殊的技巧解決。

比如，先傳送乙個同步頭，內容是 0101010 的方波，讓接受者通過這個同步頭計算出傳送者的頻率，然後再用這個頻率來取樣之後的資料訊號，就可以了。

在 usb 中，每個 usb 資料報，最開始都有個同步域（sync），這個域固定為 0000 0001，這個域通過 nrzi 編碼之後，就是一串方波（複習下前面：nrzi 遇 0 翻轉遇 1

此外，因為在 usb 的 nrzi 編碼下，邏輯 0 會造成電平翻轉，所以接收者在接收資料的同時，根據接收到的翻轉訊號不斷調整同步頻率，保證資料傳輸正確。

但是，這樣還是會有乙個問題，就是雖然接收者可以主動和傳送者的頻率匹配，但是兩者之間總會有誤差。

假如資料訊號是 1000個邏輯1，經過 usb 的 nrzi 編碼之後，就是很長一段沒有變化的電平，在這種情況下，即使接受者的頻率和傳送者相差千分之一，就會造成把資料取樣成 1001個或者 999個了。

usb對這個問題的解決辦法，就是強制插0，也就是傳說中的bit-stuffing，如果要傳輸的資料中有7個連續的1，傳送前就會在第6個1後面強制插入乙個0，讓傳送的訊號強制出現翻轉，從而強制接受者進行頻率調整。接受者只要刪除6個連續 1 之後的0，就可以恢復原始的資料了。

當然在協議中，這兩點說的也比較清晰，對著協議看一下就可以知道nrzi的編碼規則。