3. USB包结构与事务：令牌包、数据包、握手包、SOF包、事务格式与PID序列

USB总线上的所有数据传输均以“包（Packet）”为基本单元。主机与设备之间通过一系列有序的包构成一个“事务（Transaction）”，而多个事务则组成一次“传输（Transfer）”。理解包结构与事务格式是编写EHCI主机控制器驱动、解析USB总线流量的前提。

3.1 USB包结构总览

USB包由同步域（SYNC）、包标识符（PID）、数据字段（Payload，可选）、CRC校验和包结束符（EOP）组成。所有包在总线上以LSB优先方式传输。

3.2 包标识符（PID）类型与序列

PID是USB包的核心标识，共16种，分为4组。驱动中常通过PID判断当前事务阶段。

3.3 四种包格式详解

3.3.1 令牌包（Token Packet）

令牌包由主机发出，用于启动一个事务。包含7位设备地址和4位端点号。SETUP/IN/OUT三种令牌包结构相同，仅PID不同。

位序:  0      7 8      15 16     18 19     23
      +--------+--------+--------+--------+
      |  SYNC  |  PID   | ADDR   | ENDP   | CRC5 |
      | (8位)  | (8位)  | (7位)  | (4位)  | (5位)|
      +--------+--------+--------+--------+

3.3.2 数据包（Data Packet）

数据包紧跟在令牌包之后，携带实际数据负载。数据长度由端点描述符的wMaxPacketSize决定。高速批量端点最大为512字节，高速控制端点为64字节。

位序:  0      7 8      15 16                    N    N+15
      +--------+--------+------------------------+--------+
      |  SYNC  |  PID   |      DATA FIELD        | CRC16  |
      | (8位)  | (8位)  |    (0~1024字节)        | (16位) |
      +--------+--------+------------------------+--------+

3.3.3 握手包（Handshake Packet）

握手包仅由SYNC、PID和EOP组成，无数据字段和CRC。设备通过握手包向主机反馈事务状态。

位序:  0      7 8      15
      +--------+--------+
      |  SYNC  |  PID   |
      | (8位)  | (8位)  |
      +--------+--------+

3.3.4 SOF包（Start-of-Frame Packet）

SOF包由主机每1ms（全速/低速）或125µs（高速微帧）广播一次，用于同步帧起始和总线时钟。包含11位帧号。

位序:  0      7 8      15 16     26 27     31
      +--------+--------+--------+--------+
      |  SYNC  |  PID   | FRAME  | CRC5   |
      | (8位)  | (8位)  | (11位) | (5位)  |
      +--------+--------+--------+--------+

3.4 事务格式与PID序列

一个完整的事务由令牌包阶段、数据包阶段（可选）和握手包阶段组成。不同传输类型的事务格式不同。

3.5 PID序列与数据切换

USB协议使用数据切换（Data Toggle）机制保证数据完整性。每个端点维护一个Toggle位，DATA0和DATA1交替使用。

3.6 事务超时与错误处理

驱动在处理事务时必须考虑超时场景。USB协议规定主机在发出令牌包后，设备必须在规定时间内响应。

3.7 事务在EHCI中的硬件映射

在EHCI控制器中，事务被抽象为qTD（Queue Element Transfer Descriptor）。驱动通过填充qTD来定义事务的PID序列、数据缓冲区和Toggle状态。

/* EHCI qTD 结构关键字段（简化） */
struct ehci_qtd {
    __le32 hw_next;           /* 下一个qTD指针 */
    __le32 hw_alt_next;       /* 备用qTD指针（错误处理） */
    __le32 hw_token;          /* 令牌域：包含PID、Toggle、数据长度、错误计数 */
    __le32 hw_buf[5];         /* 数据缓冲区指针（最多5个page） */
};

/* hw_token 字段位定义 */
#define QTD_TOKEN_PID_OUT     0x00    /* OUT令牌 */
#define QTD_TOKEN_PID_IN      0x01    /* IN令牌 */
#define QTD_TOKEN_PID_SETUP   0x02    /* SETUP令牌 */
#define QTD_TOKEN_DT          0x40    /* Data Toggle位 */
#define QTD_TOKEN_CERR_SHIFT  10      /* 错误计数 */
#define QTD_TOKEN_LENGTH_MASK 0x7fff  /* 数据长度 */

3.8 本章小结

• USB包由SYNC、PID、数据字段、CRC和EOP组成，PID是包类型标识。
• 四种包类型：令牌包（启动事务）、数据包（携带数据）、握手包（状态反馈）、SOF包（帧同步）。
• 事务由令牌阶段、数据阶段（可选）和握手阶段（可选）组成，不同传输类型事务格式不同。
• 数据切换（DATA0/DATA1）保证数据完整性，驱动需正确管理Toggle状态。
• EHCI控制器通过qTD硬件自动执行事务，驱动负责配置qTD的PID、Toggle、缓冲区和错误处理策略。