新手友好 | USB 系统框架和电气信号分析

1. UBS设备使用示例

我们把USB设备比如Android手机接到PC端，此时会发现：

• 右下角弹出"发现android phone"

• 跳出一个对话框，提示你安装驱动程序

从这里我们可以引申出几个问题：

1.USB设备插到电脑上去，接触到的对方设备是什么？

答：是USB控制器，是USB控制器内嵌的root hub

2.既然还没有"驱动程序"，为何能知道是"android phone"？

答：windows里已经有了USB的总线驱动程序，接入USB设备后，是"总线驱动程序"知道你是"android phone"，提示你安装的是"设备驱动程序"。

USB总线驱动程序负责：识别USB设备, 给USB设备找到对应的驱动程序。

3.为什么一接入USB设备，PC机就能发现它？

答：PC的USB口内部，D-和D+接有15K的下拉电阻，未接USB设备时为低电平。

USB设备的USB口内部，D-或D+接有1.5K的上拉电阻；它一接入PC，就会把PC端USB口的D-或D+拉高，从硬件的角度通知PC有新设备接入。

4.USB设备种类非常多，为什么一接入电脑，就能识别出来它的种类？

答：PC和USB设备都得遵守一些规范。比如：USB设备接入电脑后，PC机会发出"你是什么"？USB设备就必须回答"我是xxx", 并且回答的格式是固定的。

USB总线驱动程序会发出某些命令想获取设备信息(描述符)，USB设备必须返回"描述符"给PC。

5.PC机上接有非常多的USB设备，怎么分辨它们？

答：每一个USB设备接入PC时，USB总线驱动程序都会给它分配一个编号。PC机想访问某个USB设备时，发出的命令都含有对应的编号(地址)。

6.USB设备刚接入PC时，还没有编号；那么PC怎么把"分配的编号"告诉它？

答：新接入的USB设备的默认编号是0，在未分配新编号前，PC使用0编号和它通信。

2. 硬件框架

在USB系统中，有2个硬件概念：

▪ USB Host：它跟处理器相连，处理器通过USB Host跟各类USB设备通信。USB Host中集成有一个root hub。

▪ USB Device：这分为两类设备

     ▫ Hub：用来扩展USB接口

     ▫ Function：就是普通的USB设备，比如U盘、声卡等

3. 软件框架

APP可以通过USB设备驱动程序访问USB设备，也可以绕过USB设备驱动，直接通过USB控制器驱动访问USB设备。

1. 学习的起点

USB 2.0协议支持3种速率：低速(Low Speed，1.5Mbps)、全速(Full Speed, 12Mbps)、高速(High Speed, 480Mbps)。

USB Hub、USB设备，也分为低速、全速、高速三种类型。一个USB设备，可能兼容低速、全速，可能兼容全速、高速，但是不会同时兼容低速、高速。

1.1 USB设备状态切换图

1.2 硬件线路

下图是兼容高速模式的USB收发器电路图：

USB连接涉及Hub Port和USB设备，硬件连接如下：

2. 电子信号

USB连接线有4条：5V、D+、D-、GND。数据线D+、D-，只能表示4种状态。USB协议中，很巧妙地使用这两条线路实现了空闲(Idle)、开始(SOP)、传输数据(Data)、结束(EOP)等功能。

2.1 低速/全速信号电平

2.2 高速信号电平

2.3 设备连接与断开

2.3.1 连接

Hub端口的D+、D-都有15K的下拉电阻，平时为低电平。全速设备内部的D+有1.5K的上拉电阻，低速设备内部的D-有1.5K的上拉电阻，连接到Hub后会导致Hub的D+或D-电平变化，Hub根据变化的引脚分辨接进来的是全速设备还是低速设备。

高速设备一开始也是作为全速设备被识别的。

全速设备、高速设备连接时，D+引脚的电平由低变高：

低速设备连接时，D-引脚的电平由低变高：

2.3.2 断开

对于低速、全速设备，接到Hub时导致D-或D+引脚变为高电平，断开设备后，D-或D+引脚变为低电平：

对于高速设备，它先作为全速设备被识别出来，然后再被识别为高速设备。工作于高速模式时，D+的上拉电阻是断开的，所以对于工作于高速模式的USB设备，无法通过D+的引脚电平变化监测到它已经断开。

工作于高速模式的设备，D+、D-两边有45欧姆的下拉电阻，用来消除反射信号：

当断开高速设备后，Hub发出信号，得到的反射信号无法衰减，Hub监测到这些信号后就知道高速设备已经断开，内部电路图如下：

2.4 复位

从状态切换图上看，一个USB设备连接后，它将会被供电，然后被复位。当软件出错时，我们也可以发出复位信号重新驱动设备。

那么，USB Hub端口或USB控制器端口如何发出复位信号？发出SE0信号，并维持至少10ms。

USB设备看到Reset信号后，需要准备接收"SetAddress()"请求；如果它不能回应这个请求，就是"不能识别的设备"。

2.5 设备速率识别

2.5.1 低速/全速

Hub端口的D+、D-都有15K的下拉电阻，平时为低电平。全速设备内部的D+有1.5K的上拉电阻，低速设备内部的D-有1.5K的上拉电阻，连接到Hub后会导致Hub的D+或D-电平变化，Hub根据变化的引脚分辨接进来的是全速设备还是低速设备。

2.5.2 高速

高速设备必定兼容全速模式，所以高速设备内部D+也有1.5K的上拉电阻，只不过这个电阻是可以断开的：工作于高速模式时要断开它。

高速设备首先作为全速设备被识别出来，然后Hub如何确定它是否支持高速模式？

Hub端口如何监测一个新插入的USB设备能否工作于高速模式？流程如下：

▪ 对于低速设备，Hub端口不会监测它能否工作于高速模式。低速设备不能兼容高速模式。

▪ Hub端口发出SE0信号，这就是复位信号。

▪ USB设备监测到SE0信号后，会发出"a high-speed detection handshake"信号表示自己能支持高速模式，这可以细分为一下3种情景。

     ▫ 如果USB设备原来处于"suspend"状态，它检测到SE0信号后，就发出"a high-speed detection handshake"信号。

     ▫ 如果USB设备原来处于"non-suspend"状态，并且处于全速模式，它检测到SE0信号后，就发出"a high-speed detection handshake"信号。这个情景，就是一个设备刚插到Hub端口时的情况，它一开始工作于全速模式。

     ▫ 如果USB设备原来处于"non-suspend"状态，并且处于高速模式，它会切换回到全速模式(重新连接D+的上拉电阻)，然后发出"a high-speed detection handshake"信号。

"a high-speed detection handshake"信号，就是"高速设备监测握手信号"，既然是握手信号，自然是有来有回：

▪ USB设备维持D+的上拉电阻，发出"Chirp K "信号，表示自己能支持高速模式

▪ 如果Hub没监测到"Chirp K "信号，它就知道这个设备不支持高速模式

▪ 如果Hub监测到"Chirp K "信号后，如果Hub能支持高速模式，就发出一系列的"Chirp K"、"Chirp J"信号，这是用来通知USB设备：Hub也能支持高速模式。发出一系列的"Chirp K"、"Chirp J"信号后，Hub继续维持SE0信号直到10ms。

▪ USB设备发出"Chirp K "信号后，就等待Hub回应一系列的"Chirp K"、"Chirp J"信号

     ▫ 收到一系列的"Chirp K"、"Chirp J"信号：USB设备端口D+的上拉电阻，使能高速模式

     ▫ 没有收到一系列的"Chirp K"、"Chirp J"信号：USB设备转入全速模式

2.6 数据信号

2.6.1 低速/全速的SOP和EOP

SOP：Start Of Packet，Hub驱动D+、D-这两条线路从Idle状态变为K状态。SOP中的K状态就是SYNC信号的第1位数据，SYNC格式为3对KJ外加2个K。

EOP：End Of Packet，由数据的发送方发出EOP，数据发送方驱动D+、D-这两条线路，先设为SE0状态并维持2位时间，再设置为J状态并维持1位时间，最后D+、D-变为高阻状态，这时由线路的上下拉电阻使得总线进入Idle状态。

2.6.2 高速的SOP

高速的EOP比较复杂，作为软件开发人员无需掌握。

高速模式中，Ide状态为：D+、D-接地。SOP格式为：从Idle状态切换为K状态。SOP中的K状态就是SYNC信号的第1位数据。

高速模式中的SYNC格式为：KJKJKJKJ KJKJKJKJ KJKJKJKJ KJKJKJKK，即15对KJ，外加2个K。

2.6.3 NRZI与位填充

NRZI：Non Return Zero Inverted Code，反向不归零编码。NRZI的编码方位为：对于数据0，波形翻转；对于数据1，波形不变。

使用NRZI，发送端可以很巧妙地把"时钟频率"告诉接收端：只要传输连续的数据0即可。在下图中，低速/全速协议中"Sync Pattern"的原始数据是"00000001"，接收端从前面的7个0波形就可以算出"时钟频率"。

使用NRZI时，如果传输的数据总是"1"，会导致波形维持不变。如果电平长时间维持不变，比如传输100位1时，如果接收方稍有偏差，就可能认为接收到了99位1、101位1。而USB中采用了Bit-Stuffing位填充处理，即在连续发送6个1后面会插入1个0，强制翻转发送信号，从而让接收方调整频率，同步接收。而接收方在接收时只要接收到连续的6个1后，直接将后面的0删除即可恢复数据的原貌。

NRZI数据格式如上图所示。