USB的编码方式及时钟同步方式

NRZI 编码
像 UART、I2C、SPI 、USB 这样的串行总线,通信时连续的 0、1 信号只通
过一根数据线发送给接受者。但是因为发送者和接收者运行的频率不一样,信
号的同步就是个问题,比如,接受者接收到了一个持续一段时间的低电平,无
法得知这究竟是代表了 5 个 0 还是 1000 个 0。
一个解决办法,就是在传输数据信号的同时,附加一个时钟信号线,用来
同步两端的传输,接受者在时钟信号的辅助下对数据信号采样,就可以正确解
析出发送的数据了,比如 I2C 就是这样做的,SDA 来传输数据,SCL 来传输同

步时钟:

虽然这样解决了问题,但是却需要附加一根时钟信号线来传输时钟。有没
有不需要附加的时钟信号,也能保持两端的同步呢?
有的,这就是 RZ 编码(Return-to-zero Code),即归零编码。
在 RZ 编码中,正电平代表逻辑 1,负电平代表逻辑 0,并且,每传输完
一位数据,信号返回到零电平,也就是说,信号线上会出现 3 种电平:正电

平、负电平、零电平:

从图上就可以看出来,因为每位传输之后都要归零,所以接受者只要在信
号归零后采样即可,这样就不在需要单独的时钟信号。实际上, RZ 编码就是
相当于把时钟信号用归零编码在了数据之内。这样的信号也叫做自同步(self-
clocking)信号。
这样虽然省了时钟数据线,但是还是有缺点的,因为在 RZ 编码中,大部
分的数据带宽,都用来传输“归零”而浪费掉了。
那么,我们去掉这个归零步骤,NRZ 编码(Non-return-to-zero Code)就

出现了,和 RZ 的区别就是 NRZ 是不需要归零的:

这样,浪费的带宽又回来了,不过又丧失宝贵的自同步特性了,貌似我们
又回到了原点,其实这个问题也是可以解决的,不过待会儿再讲,先看看什么
是 NRZI:
NRZI 编码(Non-Return-to-Zero Inverted Code)和 NRZ 的区别就是
NRZI 用信号的翻转代表一个逻辑,信号保持不变代表另外一个逻辑。
USB 传输的编码就是 NRZI 格式,在 USB 中,电平翻转代表逻辑 0,电平

不变代表逻辑 1:

翻转的信号本身可以作为一种通知机制,而且可以看到,即使把 NRZI 的
波形完全翻转,所代表的数据序列还是一样的,对于像 USB 这种通过差分线来
传输的信号尤其方便~
现在再回到那个同步问题:
的确,NRZ 和 NRZI 都没有自同步特性,但是可以用一些特殊的技巧解
决。比如,先发送一个同步头,内容是 0101010 的方波,让接受者通过这个同
步头计算出发送者的频率,然后再用这个频率来采样之后的数据信号,就可以
了。
在 USB 中,每个 USB 数据包,最开始都有个同步域(SYNC),这个域固
定为 0000 0001,这个域通过 NRZI 编码之后,就是一串方波(复习下前面:
NRZI 遇 0 翻转遇 1 不变),接受者可以用这个 SYNC 域来同步之后的数据信
号。
此外,因为在 USB 的 NRZI 编码下,逻辑 0 会造成电平翻转,所以接受者在
接受数据的同时,根据接收到的翻转信号不断调整同步频率,保证数据传输正
确。
但是,这样还是会有一个问题,就是虽然接受者可以主动和发送者的频率
匹配,但是两者之间总会有误差。假如数据信号是 1000 个逻辑 1,经过 USB
的 NRZI 编码之后,就是很长一段没有变化的电平,在这种情况下,即使接受
者的频率和发送者相差千分之一,就会造成把数据采样成 1001 个或者 999 个
1 了。
USB 对这个问题的解决办法,就是强制插 0,也就是传说中的 bit-
stuffing,如果要传输的数据中有 7 个连续的 1,发送前就会在第 6 个 1 后
面强制插入一个 0,让发送的信号强制出现翻转,从而强制接受者进行频率调
整。接受者只要删除 6 个连续 1 之后的 0,就可以恢复原始的数据了。
在此也顺便说一下另一种常用的编码方式:曼彻斯特编码
曼彻斯特( Manchester )码是一种双相码。用高电平到低电平的转换边
表示 0 ,而用低电平到高高电平的转换边表示 1 。