USB集线器的位时间与帧/微帧定时器

位时间

传输1比特数据所需的时间，是USB规范中描述时间间隔的基本逻辑单位

它可以理解为USB信号的一个基本时间单位。由于USB是串行通信协议，数据是一个比特接着一个比特在线上传输的，因此用“传输一个比特花费多久”作为衡量时间的尺度非常自然和方便。

位时间的长度取决于USB的工作速度。速度越快，传输一个比特所需的时间就越短。

• 高速 (High-Speed, 480 Mbps)：
  • 位时间 = 1 / 480,000,000 秒 ≈ 2.083 纳秒 (ns)
• 全速 (Full-Speed, 12 Mbps)：
  • 位时间 = 1 / 12,000,000 秒 ≈ 83.33 纳秒 (ns)
• 低速 (Low-Speed, 1.5 Mbps)：
  • 位时间 = 1 / 1,500,000 秒 ≈ 666.67 纳秒 (ns)

USB集线器定时器

每个集线器都有一个（微）帧定时器，其定时源自集线器的本地时钟，并通过USB主机生成的帧起始包（SOF）与主机同步到主机的（微）帧周期。

集线器的（微）帧定时器必须跟踪主机的（微）帧周期，并且即使连续错过两个SOF令牌，也必须能够保持与主机的同步。

由于USB上游集线器会检测下游设备的总线活动，当USB集线器的下游设备“喋喋不休”进行总线活动，会自动禁用下游端口设备，这样下游设备与总线断开。（微）帧定时器提供定时参考，用于让集线器检测“喋喋不休”的设备，并防止集线器被上游集线器禁用。

喋喋不休”是对英文 “Babbling” 的直译，在USB规范里，它特指一种设备故障状态,指一个USB设备在应该停止发送数据的时候，却依然在不停地往总线上发送数据。

• 主机无法发出新的指令：主机想说“停下”，但总线一直被故障设备占着，主机的命令发不出去。
• 其他所有设备都无法工作：因为总线被这一个“话痨”设备完全霸占了。

USB集线器的同步

USB集线器复位或恢复后，集线器的（微）帧定时器处于未同步状态。每当集线器接收到两个连续的SOF包时，其（微）帧定时器必须被同步。”同步”等同于”锁定”。

• 同步后的USB集线器，即便SOF包偶尔丢失，也能依靠“惯性”保持一段时间的同步。
• USB集线器未同步时，强制禁用所有下行端口的连接建立功能。当USB集线器现步后，才允许下行端口设备的连接功能。这时主机主动发起正常的设备枚举过程。

同步的三个核心组件

USB集线器在进行时间同步时，有三个部分：

• current_frame_timer (当前帧定时器)：一个递增计数器。它从0开始，每个位时间加1，像一个不间断运行的“秒表”，持续测量连续两个SOF之间的实际间隔。
• next_frame (下一帧寄存器)：一个只读寄存器。它就像一个“备胎”或“缓存”，存储着下一次定时器归零时应该加载的值。
• frame_timer (帧定时器)：一个递减计数器。它从某个值开始倒计时，归零时触发帧结束事件。这是真正控制集线器行为的“闹钟”。

2. 同步流程的四个步骤

第一步：初始状态 (未同步)

复位或唤醒后，系统设置一个标志，告知所有模块：“帧定时器未同步，所有依赖它的功能（如EOF检测）暂不启用”。

第二步：捕获第一个SOF

集线器收到复位后的第一个SOF包。

• 硬件立刻执行：current_frame_timer 从0开始，每个位时间加1。
• frame_timer 暂时不加载新值。
• 状态：仍未同步。

第三步：锁定同步 (关键步骤)

集线器收到第二个连续的SOF包。

此时，current_frame_timer 的值恰好等于主机发送两个SOF的间隔（例如高速下的60000位时间）。

硬件执行以下原子操作：

1. 加载缓存：将 current_frame_timer 的当前值（比如60000）复制到 next_frame 寄存器中。
2. 启动闹钟：将同样的值（60000）加载到 frame_timer 中，frame_timer 开始从60000向下递减。
3. 重置秒表：将 current_frame_timer 重置为0，并继续递增，为测量下一个帧间隔做准备。
4. 设置标志：将状态标志设置为“已同步”。

此时，frame_timer 正在倒计时，它将在大约60000个位时间后归零，触发帧结束。

第四步：正常运行与丢失恢复

这是该方法最精妙的部分，它处理了SOF包丢失的情况。

• 情况A：正常收到下一个SOF
  当 frame_timer 还在倒计时时，第三个SOF到达。硬件会检查 current_frame_timer（它正在测量上一个SOF到当前时刻的时间）。如果它没有溢出，说明主机正常，硬件会刷新 next_frame 和 frame_timer，用最新的测量值校准定时器。

• 情况B：丢失一个SOF (关键机制)
  如果主机因为噪声等原因发送了一个SOF，但集线器没收到。此时：

  • frame_timer 会继续倒计时，直到归零。归零时，它会从 next_frame 寄存器中加载上次保存的那个旧值。
  • 这意味着定时器会按照上一次成功的间隔再运行一个周期。
  • 如果下一个SOF仍然丢失，frame_timer 归零后会再次加载 next_frame 的旧值。但由于 next_frame 没有被新数据刷新，这个值保持不变。
  • 这导致定时器以恒定且可能已过时的间隔运行。

• 情况C：丢失两个以上SOF
  如果连续丢失的SOF超过两个，定时器会继续使用那个“陈旧”的 next_frame 值无限期运行。此时，虽然硬件还在工作，但由于没有SOF来校准，它实际上已经与主机“失锁”了。

定时器范围

1. 高速微帧间隔 = 60,000（ 60000 ± 96） 位时间

   • 这意味着每传输60,000个比特，就是一个微帧。换算成实际时间就是：60,000 × 2.083ns ≈ 125微秒 (µs)。这正是USB 2.0高速模式下微帧的标准长度。

2. 高速EOF2点 = EOF前64位时间

   • 这意味着在微帧结束前，留出传输64个比特的时间（约 64 × 2.083ns ≈ 133纳秒）作为处理“喋喋不休”设备的缓冲。

3. 全速帧间隔 = 12,000（ 12000 ± 42） 位时间

   • 换算成全速模式下的实际时间：12,000 × 83.33ns ≈ 1毫秒 (ms)。这正是USB 1.x全速模式下帧的标准长度。