从零开始学USB（六、USB通讯的数据格式）

USB中用NRZI来编码数据

前面章节已经学习过了USB的引脚定义了，但是对于其中的USB 2.0的两根数据线D+和D-所对应的数据传输，却没有详细介绍。此处就是介绍，在此串行数据线中，数据是如何被编码和传送的。

USB所传输的数据，用的数据编码方式是NRZI（Non-Return-to-Zero Inverted），其具体的含义解释，看到有位网友已经非常清晰的分析过了，我就不重复造轮子了。

USB 的 NRZI 编码

为了防止这位网友的服务器出问题，下面我再复制一份。

这两天继续看 USB 相关的内容，准备用纯软件实现一下 USB 设备传输，为将来的项目打好基础。

首先碰到的就是这个 NRZI 编码的问题了，基础太薄弱，看了一上午总算明白了大概。

首先，USB 的数据是串行发送的，就像 UART、I2C、SPI 等等，连续的01 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，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：

图为I2C数据编码格式

 

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），也叫做归零编码。

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：

图为归零编码

 

从图上就可以看出来，因为每位传输之后都要归零，所以接收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：

图为非归零编码

 

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：

图为NRZ和NRZI

 

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

此外，因为在 USB 的 NRZI 编码下，逻辑 0 会造成电平翻转，所以接收者在接收数据的同时，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，就是虽然接收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个了。

USB中用Bit-Stuffing来同步时钟信号

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6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。这就使得接收器，逻辑上至少每7个位会出现一次电平转换，用来保证数据和时钟同步。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。

 

当然在协议中，这两点说的也比较清晰，对着协议看一下就可以知道NRZI的编码规则。