通用序列匯流排(USB)是很常見的串列協定。其具有熱插拔的特性，當USB裝置插入主機時，主機會自動偵測到，並且軟體會對其作規畫，且可隨插即用。USB的連接線供應裝置電源，可提供+5伏特直流電(DC)的電壓，電流供應約100～500毫安培。
USB的連接線共有四條，其中兩條是電源與地線，另兩條是訊號線，分別是D+與D-。一般情況下，兩條線的訊號相反，若其中一條的訊號為High，則另一條的訊號就為Low，此差動訊號能提升訊號抗雜訊抗干擾的能力，USB就是利用D+、D-兩條訊號線的差動訊號，達成高速傳輸的目的。
USB主機端在沒有裝置連接時，D+、D-上會有一個1.5kΩ的電阻接地，確保這兩條線是在接地狀態。可支援至一百二十七個位址，也就是說，一個USB系統最多支援一百二十七個裝置，主機會週期性的探詢每個集線器以便得知裝置的連接狀態。以USB1.1而言，其分為高速與低速兩個模式，低速傳輸率為1.5Mbit/s；高速為12Mbit/s，在高速模式時每個位元的寬度約83.3奈秒。
封包是組成USB傳輸的最小單位。在USB傳輸時負責替電腦主機(Host)端與集線器上的每一個USB裝置傳輸溝通，而邏輯分析儀可透過訊號抓取，協助工程師將訊號直接轉譯解碼並顯示於軟體中，讓使用者可以直接分析USB訊號。
使用邏輯分析儀 連接待測的USB裝置
本文範例中，待測物(DUT)為USB藍牙連接裝置(Bluetooth Dongle)，即USB1.1，業界廠商推出的邏輯分析儀，可針對USB1.1模組製作相對應的測量治具(圖1)，能幫助使用者省去繁雜的接線步驟，直接將待測物連接完成。將治具中的A Type連接埠接上待測物，B Type連接埠透過隨附USB線接上PC USB Host，並將邏輯分析儀的A0及A1通道藉由測試線連接至USB治具上的D-、D+，連接完成圖如圖2所示。
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| 圖1 USB測量治具 |
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| 圖2 待測物與邏輯分析儀連接圖 |
邏輯分析儀擁有多通道特性，只要剩餘通道足夠，即可在同時間內測量多組串列訊號，圖3為同時測量USB1.1訊號及I2C訊號的畫面。邏輯分析儀中內建的串列協定模組設定方便又快速，如圖4所示，使用者只須設定D+、D-的腳位及訊號速度，點下OK後就可以將USB訊號解碼。為更加方便分析以及提高效率，邏輯分析儀更在新版軟體中加入串列協定封包列表功能，能將串列訊號採取封包段落顯示，以直列方式顯示資料內容。
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| 圖3 同時進行USB1.1及I2C串列協定訊號分析 |
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| 圖4 USB串列協定模組 |
前面提到封包是組成USB傳輸的最小單位。一個交易(Transaction) 通常由三個封包組成，但依傳輸型態而定，一個Transaction可能包含一個、兩個、三個封包(圖5)。
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| 圖5 USB1.1封包架構 |
| 每個Transaction以記號(Token)封包為起始。Token封包定義裝置、端點(Endpoint)數量，傳輸的方向。其中訊框起始(SOF)Token包含目前的訊框數，而且會廣播給所有的全速(Full-speed)裝置知道，SOF也是唯一一個不指定目標的Token，另外，Token封包長度固定為四個位元組(Byte)。 |
| 資料(Data)封包包含處理此動作的資料。一個Transaction中，Data封包最大的資料量為一千零二十三個位元組，實際允許的最大資料量取決於傳輸狀態。 |
| 除了即時型傳輸(Isochronous)外，所有的傳輸都保證資料的傳遞正確，如交握(Handshake)封包回應資料是否正確的被收到，若執行處理動作中發生錯誤，處理動作將重新執行。 |
圖6是同步序列(Synchronization Sequence)的波形，其由八個位元組成，數值是二進位的00000001， 依照NRZI編碼原理，資料0代表訊號要轉換，所以前七個0之中的每個位元都會在相對應的位元時間中轉換，作用就好像提供一組可用來同步的時脈(Clock)。Packet ID定義封包的目的與內容。封包主要有三種型態，即Token、Data與Handshake，其中Token封包定義傳輸的型態；Data封包接在Token之後，將傳輸的資料輸出或輸入USB裝置中；Handshake則是提供傳輸成功或失敗的訊息。
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| 圖6 同步序列波形 |
Packet ID的訊號格式如圖7，總共有八個位元，前四個位元代表ID(Type Field)，後四個位元是檢查欄位(Check Field)，其值固定是ID的反向，如ID為二進位的1001，則檢查欄位就是0110，合起來就是10010110。
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| 圖7 Packet ID訊號格式 |
USB定義四種封包種類
所有處理動作都是由一個Token封包開始，USB定義四種Token封包，包括SOF，IN，OUT，SETUP。
USB裝置用SOF封包判斷訊框的起點。當每個訊框開始的時候，SOF封包被送至每個全速的裝置。即時型傳輸裝置可經由SOF封包達到同步傳輸的作用，低速裝置不支援即時型傳輸，所以SOF封包不會送至低速裝置，如圖8所示，SOF封包包含一個長度為11位元的訊框號碼，接收器使用5位元的CRC位元確認訊框號碼。SOF封包不含任何資料，其傳輸也不保證一定成功，當USB裝置對此SOF封包PID檢查碼錯誤時，裝置將忽略此封包；當CRC檢查錯誤時，會忽略此訊框號碼，須注意PID與訊框號碼都是LSB在前，MSB在後。圖9是一個SOF封包的實際波形，PID前四個位元0101就是SOF封包。PID之後的是11位元的訊框號碼，本例的訊框號碼是10101100010，換算為十進位就是1378，也就是第一千三百七十八個訊框。
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所謂IN與OUT是指對於個人電腦而言，IN封包是個人電腦須由裝置讀進資料時使用；OUT則是個人電腦須送出資料給裝置時使用，IN封包可以使用在中斷型傳輸、巨量型傳輸、控制型傳輸的資料時期、即時型傳輸等傳輸。圖10是IN封包格式示意圖與實際量測圖，如圖所示，除了基本的Type欄位與Check欄位之外，IN封包包含7位元的裝置位址(Device Address)與4位元的端點號碼(Endpoint Number)，執行IN封包動作時，首先個人電腦送出一個IN封包，接著裝置回傳一個資料封包，最後個人電腦送出一個交握封包給裝置，表示已收到資料，但在即時型傳輸中，IN處理動作不使用交握封包，而IN傳輸所能傳輸的資料量取決於傳輸型態。
圖11是一個實際的IN封包波形。PID的前4位元為1001，就是IN封包的ID，其次是7位元的位址(Address)，這個例子的Address是1，再來是4位元的Endpoint，這個例子的Endpoint是0，最後是5位元的CRC。
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當資料將被送出給某個裝置時，系統會進行一個OUT傳輸，有三種傳輸型態用到OUT傳輸，即巨量型傳輸、控制型傳輸的資料時期、即時型傳輸。OUT封包除了PID之外，其餘資料格式都與IN封包相同，一樣有7位元的Address，4位元的Endpoint(圖12)。
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SETUP封包只有在控制型傳輸的設定階段使用，SETUP處理動作啟動一個控制型傳輸，並且定義為設定階段，SETUP處理動作在形式上類似一個OUT動作，即為SETUP封包後跟著一個Data0封包與一個回覆封包。SETUP封包的目的是傳送一個要求給裝置執行，該封包除了PID外，其餘資料格式都與IN/OUT封包相同(圖13)。
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Data封包跟在IN、OUT、SETUP三種封包之後，IN封包之後的Data封包是將資料傳入個人電腦；OUT與SETUP之後的封包是將資料傳出給裝置。傳輸資料時，Data0封包與Data1封包是交互的使用，若此次傳輸資料是用Data0封包，則下次傳輸資料就是使用Data1封包，反之亦然，這是為用來當作同步機制使用，一個很大量的資料，會被切成多個小封包來傳輸，此時Data0與Data1封包交互的使用就可以當作一個同步的機制。圖14是Data0與Data1的封包格式，PID為1100就是Data0封包，PID為1011就是Data1封包。
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交握封包用來回報處理動作的完成狀況。交握封包有三種，包括ACK封包以確認資料正確無誤的被接收；NAK封包則告知主機現在目標裝置暫時無法接收或傳回資料；STALL封包為無法完成傳輸，且需軟體介入以便使裝置能從STALL狀態復原。圖15是三種交握封包的格式圖，交握封包沒有資料，也沒有CRC，只有SYNC與PID，ACK的PID是0010，NAK的PID是1010，STALL的PID是1110。
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| 前導封包(Preamble Packet)用在低速傳輸時。在傳送一個低速封包前，一個前導封包必須被送出，主機保證前導封包之後的封包是低速傳送，前導封包由一個SYNC與一個PID組成，PID是1100，有一點須注意的是，前導封包不可以EOP結尾。 |
串列協定封包觸發功能強 測試方式即可更精準
觸發功能越強大越能精準的觸發至正確的數值上，而串列協定封包觸發功能便是如此，僅須在設定視窗中設定串列協定中的狀態或是指定數值，透過軟體強大的功能便可正確的觸發至指定位置上，如設定觸發條件為USB1.1，訊號指定資料為0X1B時觸發，圖16為完成觸發時顯示的頁面。
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| 圖16 完成觸發 |
串列協定常常被應用在嵌入式系統的設計中，但是若僅使用示波器分析這些訊號非常花時間，而個人電腦架構邏輯分析儀可提供工程師們更強大的觸發功能、多樣的串列協定解碼模組及便利的資料搜尋，讓工程師在開發產品時更能夠得心應手。
(本文作者任職於孕龍科技)
