USB2.0协议中文详解

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1、USB2.0协 议 详 解Daxiang_20111031 1 序USB发 展 历 史 传 统 的 串 口 、 并 口 通 讯 方 式 逐 渐 不 能 满 足 现 有 系 统 或 者 设 备 的 数 据 传 输 速率 需 求 。以 Intel为 首 的 七 家 公 司 于 1994年 推 出 了 USB(Universal Serial Bus， 通 用串 行 总 线 协 议 )概 念 ， 并 在 随 后 的 几 年 内 不 断 的 对 USB协 议 进 行 改 进 ， 成 功推 行 USB 1.1；2004年 底 ， 正 式 推 出 了 USB 2.0协 议 。 接 口 与 USB1.1兼

2、容 ；2007秋 季 ， 正 式 推 出 了 USB 3.0协 议 。 2 序USB 1.1与 USB 2.0之 间 的 差 别 3 USB2.0 协 议USB 体 系 简 介 USB 数 据 流 模 型 USB 物 理 规 范 USB 电 气 规 范 USB 协 议 层 规 范 USB 设 备 架 构 ； USB 主 机 ： 硬 件 和 软 件 USB HUB 规 范 4 USB 体 系 简 介 USB 是 一 种 支 持 热 插 拔 的 高 速 串 行 传 输 总 线 ， 使 用 差 分 信 号 来 传 输 数 据 ，最 高 速 度 可 达 480Mb/S。 USB 支 持 “ 总 线 供

3、 电 ” 和 “ 自 供 电 ” 两 种 供 电 模 式 。 在 总 线 供 电 模 式 下 ，USB2.0设 备 最 多 可 以 获 得 500mA的 电 流 ； USB2.0 被 设 计 成 为 向 下 兼 容 的 模 式 ， 当 有 全 速 （ USB 1.1） 或 者 低 速（ USB 1.0） 设 备 连 接 到 高 速 （ USB 2.0） 主 机 时 ， 主 机 可 以 通 过 分 离 传输 来 支 持 它 们 。 一 条 USB 总 线 上 ， 可 达 到 的 最 高 传 输 速 度 等 级 由 该 总 线 上 最 慢 的 “ 设 备 ”决 定 ， 该 设 备 包 括 主 机

4、、 HUB以 及 USB功 能 设 备 。 5 USB 体 系 简 介 USB 体 系 包 括 “ 主 机 ” 、 “ 设 备 ” 以及 “ 物 理 连 接 ” 三 个 部 分 。 主 机 是 一 个 提 供 USB接 口 及 接 口 管 理能 力 的 硬 件 、 软 件 及 固 件 的 复 合 体 ，可 以 是 PC， 也 可 以 是 OTG设 备 。 一个 USB 系 统 中 仅 有 一 个 USB主 机 ； 设 备 包 括 USB功 能 设 备 和 USB HUB，最 多 支 持 127个 设 备 ； 物 理 连 接 即 指 的 是 USB 的 传 输 线 。 在 USB 2.0系 统

5、中 ， 要 求 使 用 屏 蔽 的双 绞 线 。 USB 体 系 采 用 分 层 的 星 型 拓 扑 来 连 接所 有 USB设 备 6 USB 体 系 简 介 以 HOST-ROOT HUB为 起 点 ， 最 多 支 持 7 层 （ Tier） ， 也 就 是 说 任 何 一个 USB 系 统 中 最 多 可 以 允 许 5个 USB HUB 级 联 。 一 个 复 合 设 备（ Compound Device） 将 同 时 占 据 两 层 或 更 多 的 层 。 ROOT HUB 是 一 个 特 殊 的 USB HUB， 它 集 成 在 主 机 控 制 器 里 ， 不 占 用 地 址 。

6、“ 复 合 设 备 （ Compound Device） ” 可 以 占 用 多 个 地 址 。 所 谓 复 合 设 备 其实 就 是 把 多 个 功 能 设 备 通 过 内 置 的 USB HUB 组 合 而 成 的 设 备 ， 比 如 带 录音 话 筒 的 USB 摄 像 头 等 。 一 个 USB HOST 最 多 可 以 同 时 支 持 128 个 地 址 ， 地 址 0 作 为 默 认 地 址 ，只 在 设 备 枚 举 期 间 临 时 使 用 ， 而 不 能 被 分 配 给 任 何 一 个 设 备 ， 因 此 一 个 USB HOST 最 多 可 以 同 时 支 持 127 个 地

7、址 ， 如 果 一 个 设 备 只 占 用 一 个 地址 ， 那 么 可 最 多 支 持 127个 USB 设 备 （ 含 USB HUB） 。 7 USB 体 系 简 介 8 USB 体 系 简 介 USB 采 用 轮 询 的 广 播 机 制 传 输 数 据 所 有 的 传 输 都 由 主 机 发 起 ， 任 何 时 刻 整 个 USB体 系 内 仅 允 许 一 个 数 据 包 的传 输 ， 即 不 同 物 理 传 输 线 上 看 到 的 数 据 包 都 是 同 一 被 广 播 的 数 据 包 ; USB 采 用 “ 令 牌 包 ” -“ 数 据 包 ” -“ 握 手 包 ” 的 传 输 机

8、 制 在 令 牌 包 中 指 定 数 据 包 去 向 或 者 来 源 的 设 备 地 址 和 端 点 （ Endpoint） ，从 而 保 证 了 只 有 一 个 设 备 对 被 广 播 的 数 据 包 /令 牌 包 作 出 响 应 。 握 手 包 表 示 了 传 输 的 成 功 与 否 。 数 据 包 ： USB 总 线 上 数 据 传 输 的 最 小 单 位 ， 包 括 SYNC、 数 据 及 EOP 三 个 部 分 。 其 中 数 据 的 格 式 针 对 不 同 的 包 有 不 同 的 格 式 。 但 都 以 8 位 的 PID 开 始 。 PID 指 定 了 数 据 包 的 类 型 （

9、 共 16种 ） 。 令 牌 包 即 指 PID 为 IN/OUT/SETUP的 包 。 端 点 （ Endpoint） ： 是 USB 设 备 中 的 可 以 进 行 数 据 收 发 的 最 小 单 元 ，支 持 单 向 或 者 双 向 的 数 据 传 输 。 设 备 支 持 端 点 的 数 量 是 有 限 制 的 ， 除默 认 端 点 外 低 速 设 备 最 多 支 持 2 组 端 点 （ 2 个 输 入 ， 2 个 输 出 ） ，高 速 和 全 速 设 备 最 多 支 持 15 组 端 点 。 9 10 包 包 的 基 本 格 式 包 结 尾 字 段(EOP)CRC字 段数 据字 段PI

10、D字 段同 步 字 段(SYNC) USB 体 系 简 介 11 令 牌 (token)包 CRC5ENDPADDRPIDSYNC 5位4位7位8位8位 PIDUSB 体 系 简 介 12 数 据 包 CRC16DATAPIDSYNC 16位01023字 节8位8位 /32位 PIDSYNC 8位8位 /32位 SYNC:Low/Full speed为 8位 ； Hi-speed为 32位 ；PID 握 手 包 PIDUSB 体 系 简 介 USB 体 系 简 介 管 道 （ Pipe） 管 道 是 主 机 和 设 备 端 点 之 间 数 据 传 输 的 模 型 ， 共 有 两 种 类 型 的

11、 管 道 ； 无 格 式 的 流 管 道 （ Stream Pipe） 有 格 式 的 信 息 管 道 Message Pipe） 。 任 何 USB设 备 一 旦 上 电 就 存 在 一 个 信 息 管 道 ， 即 默 认 的 控 制 管 道 ，USB 主 机 通 过 该 管 道 来 获 取 设 备 的 描 述 、 配 置 、 状 态 ， 并 对 设 备进 行 配 置 。 USB 设 备 连 接 到 HOST 时 ， HOST必 须 通 过 默 认 的 控 制 管 道 对 其 进 行枚 举 ， 完 成 获 得 其 设 备 描 述 、 进 行 地 址 分 配 、 获 得 其 配 置 描 述 、

12、 进行 配 置 等 操 作 方 可 正 常 使 用 。 USB 设 备 的 即 插 即 用 特 性 即 依 赖 于 此 。 13 USB 体 系 简 介 USB 体 系 四 种 传 输 类 型 的 控 制 传 输 ：主 要 用 于 在 设 备 连 接 时 对 设 备 进 行 枚 举 以 及 其 他 因 设 备 而 异 的 特 定 操 作 。 中 断 传 输 ：用 于 对 延 迟 要 求 严 格 、 小 量 数 据 的 可 靠 传 输 ， 如 键 盘 、 游 戏 手 柄 等 。 批 量 传 输 ：用 于 对 延 迟 要 求 宽 松 ， 游 戏 手 柄 等 大 量 数 据 的 可 靠 传 输 ，

13、如 U盘 等 。 同 步 传 输 ：用 于 对 可 靠 性 要 求 不 高 的 实 时 数 据 传 输 ， 如 摄 像 头 、 USB 音 响 等 。 不 同 的 传 输 类 型 在 物 理 上 并 没 有 太 大 的 区 别 ， 只 是 在 传 输 机 制 、 主 机 安排 传 输 任 务 、 可 占 用 USB 带 宽 的 限 制 以 及 最 大 包 长 度 有 一 定 的 差 异 。 14 USB 体 系 简 介 USB 设 备 通 过 管 道 和 HOST 通 信 ， 在 默 认 控 制 管 道 上 接 受 并 处 理 以 下 三 种类 型 的 请 求 ： 标 准 请 求 ： 一 共

14、有 11 个 标 准 请 求 ， 如 得 到 设 备 描 述 、 设 置 地 址 、 得 到 配 置 描 述 等 。所 有 USB 设 备 均 应 支 持 这 些 请 求 。 HOST 通 过 标 准 请 求 来 识 别 和 配 置 设 备 。 类 （ class） 请 求 ： USB 还 定 义 了 若 干 个 子 类 ， 如 HUB 类 、 大 容 量 存 储 器 类 等 。 不 同 的 类 又定 义 了 若 干 类 请 求 ， 该 类 设 备 应 该 支 持 这 些 类 请 求 。 设 备 所 属 类 在 设 备描 述 符 中 可 以 得 到 。 厂 商 请 求 ： 这 部 分 请 求

15、并 不 是 USB 规 范 定 义 的 ， 而 是 设 备 生 产 商 为 了 实 现 一 定 的 功能 而 自 己 定 义 的 请 求 。 15 USB 体 系 简 介 USB 接 口 扩 展 USB HUB提 供 了 一 种 低 成 本 、 低 复 杂 度 的 USB 接 口 扩 展 方 法 。 HUB的 上 行 PORT 面 向 HOST， 下 行 PORT 面 向 设 备 （ HUB 或 功 能 设 备 ） 。在 下 行 PORT 上 ， HUB 提 供 了 设 备 连 接 检 测 和 设 备 移 除 检 测 的 能 力 ，并 给 各 下 行 PORT供 电 。 HUB可 以 单 独

16、使 能 各 下 行 PORT， 不 同 PORT 可 以 工 作 不 同 的 速 度 等级 （ 高 速 /全 速 /低 速 ） 。 USB HUBHUB由 HUB重 发 器 （ HUB Repeater） 、 转 发 器 （ Transaction Translator） 以 及 HUB 控 制 器 （ HUB Controller） 三 部 分 组 成 。 HUB Repeater是 上 行 PORT 和 下 行 PORT之 间 的 一 个 协 议 控 制 的 开关 ， 它 负 责 高 速 数 据 包 的 重 生 与 分 发 ; HUB 控 制 器 负 责 和 HOST的 通 信 ， HOS

17、T通 过 HUB 类 请 求 和 HUB 控 制 器 通 讯 ， 获 得 关 于 HUB 本 身 和 下 行 PORT 的 HUB 描 述 符 ， 进行 HUB和 下 行 PORT 的 监 控 和 管 理 。 转 发 器 提 供 了 从 高 速 和 全 速 /低 速 通 讯 的 转 换 能 力 ， 通 过 HUB 可 以 在高 速 HOST 和 全 速 /低 速 设 备 之 间 进 行 匹 配 。 HUB 在 硬 件 上 支 持 Reset、 Resume、 Suspend。 16 USB 体 系 简 介 USB HOST 在 USB体 系 中 负 责 设 备 连 接 /移 除 的 检 测 、

18、 HOST 和 设 备 之间 控 制 流 和 数 据 流 的 管 理 、 传 输 状 态 的 收 集 、 总 线 电 源 的 供 给 。 17 USB2.0 协 议 USB 体 系 简 介USB 数 据 流 模 型 USB 物 理 规 范 USB 电 气 规 范 USB 协 议 层 规 范 USB 设 备 架 构 ； USB 主 机 ： 硬 件 和 软 件 USB HUB 规 范 18 USB 数 据 流 模 型 USB 体 系 在 实 现 时 采 用 分 层 的 结 构 19 USB 数 据 流 模 型 在 HSOT端 ， 应 用 软 件 （ Client SW） 不 能 直 接 访 问 U

19、SB 总线 ， 而 必 须 通 过 USB系 统 软 件 和 USB主 机 控 制 器 来 访 问 USB 总 线 ， 在 USB总 线 上 和 USB 设 备 进 行 通 讯 。 从 逻 辑 上 可 以 分 为 功 能 层 、 设 备 层 和 总 线 接 口 层 三 个 层 次 。 功 能 层 完 成 功 能 级 的 描 述 、 定 义 和 行 为 ； 设 备 级 则 完 成 从 功 能 级 到 传 输 级 的 转 换 ， 把 一 次 功 能 级 的 行 为 转 换为 一 次 一 次 的 基 本 传 输 ； USB 总 线 接 口 层 则 处 理 总 线 上 的 Bit流 ， 完 成 数 据

20、 传 输 的 物 理 层 实 现和 总 线 管 理 。 途 中 黑 色 箭 头 代 表 真 实 的 数 据 流 ， 灰 色 箭 头 代 表 逻 辑上 的 通 讯 。 20 USB 数 据 流 模 型 物 理 上 ， USB设 备 通 过 分 层 的 星 型 总 线 连 接 到 HOST， 但 在 逻 辑 上 HUB是 透 明 的 ， 各 USB 设 备和 HOST直 接 连 接 ， 和 HOST上 的 应 用 软 件 形 成一 对 一 的 关 系 。 如 下 图 所 示 ： 各 应 用 软 件 -功 能 设 备 对 之 间 的 通 讯 相 互 独 立 ， 应 用 软 件通 过 USB设 备 驱

21、 动 程 序 (USBD)发 起 IRQ 请 求 ， 请 求 数据 传 输 。 主 机 控 制 器 驱 动 程 序 （ HCD） 接 收 IRQ 请 求 ， 并 解 析 成为 USB传 输 和 传 输 事 务 （ Transaction） ， 并 对 USB 系统 中 的 所 有 传 输 事 务 进 行 任 务 排 定 （ 因 为 可 能 同 时 有 多个 应 用 软 件 发 起 IRQ 请 求 ） 。 主 机 控 制 器 （ Host Controller） 执 行 排 定 的 传 输 任 务 ，在 同 一 条 共 享 的 USB 总 线 上 进 行 数 据 包 的 传 输 。 如 右 图所

22、 示 。 21 USB 数 据 流 模 型 USB 端 点 、 管 道 和 接 口 的 关 系 。 USB 系 统 中 数 据 的 传 输 ， 宏 观 的 看 来 是 在 HOST 和 USB 功 能 设 备 之 间 进 行 ； 微 观 的 看 是 在 应 用 软 件 的 Buffer 和 USB 功 能 设 备 的 端 点 之 间 进 行 。 一 般 来 说 端点 都 有 Buffer， 可 以 认 为 USB通 讯 就 是 应 用 软 件 Buffer和 设 备 端 点 Buffer之 间 的 数 据 交 换 ， 交 换 的 通 道 称 为 管道 。 应 用 软 件 通 过 和 设 备 之

23、 间 的 数 据 交 换 来 完 成 设 备 的 控 制和 数 据 传 输 。 通 常 需 要 多 个 管 道 来 完 成 数 据 交 换 ， 因 为同 一 管 道 只 支 持 一 种 类 型 的 数 据 传 输 。 用 在 一 起 来 对 设 备 进 行 控 制 的 若 干 管 道 称 为 设 备 的 接 口 ; 一 个 USB 设 备 可 以 包 括 若 干 个 端 点 ， 不 同 的 端点 以 端 点 编 号 和 方 向 区 分 。 不 同 端 点 可 以 支 持 不同 的 传 输 类 型 、 访 问 间 隔 以 及 最 大 数 据 包 大 小 。除 端 点 0外 ， 所 有 的 端 点

24、 只 支 持 一 个 方 向 的 数 据传 输 。 端 点 0是 一 个 特 殊 的 端 点 ， 它 支 持 双 向 的控 制 传 输 。 管 道 和 端 点 关 联 ， 和 关 联 的 端 点 有 相同 的 属 性 ， 如 支 持 的 传 输 类 型 、 最 大 包 长 度 、 传输 方 向 等 。 22 USB 数 据 流 模 型 四 种 传 输 类 型 (控 制 /中 断 /批 量 /同 步 传 输 )1. 控 制 传 输 ： 控 制 传 输 是 一 种 可 靠 的 双 向 传 输 ， 一 次 控 制 传 输 可 分 为 三 个 阶 段 。 第 一 阶 段 为 从 HOST到 Devic

25、e的 SETUP事 务 传 输 ， 这 个 阶 段 指 定 了 此 次 控 制 传 输的 请 求 类 型 ； 第 二 阶 段 为 数 据 阶 段 ， 也 有 些 请 求 没 有 数 据 阶 段 ； 第 三 阶 段 为 状 态 阶 段 ， 通 过 一 次 IN/OUT 传 输 表 明 请 求 是 否 成 功 完 成 。 控 制 传 输 通 过 控 制 管 道 在 应 用 软 件 和 Device 的 控 制 端 点 之 间 进 行 ， 控 制 传 输 过 程 中传 输 的 数 据 是 有 格 式 定 义 的 ， USB 设 备 或 主 机 可 根 据 格 式 定 义 解 析 获 得 的 数 据

26、含 义 。其 他 三 种 传 输 类 型 都 没 有 格 式 定 义 。 控 制 传 输 对 于 最 大 包 长 度 有 固 定 的 要 求 。 对 于 高 速 设 备 该 值 为 64Byte； 对 于 低 速 设 备该 值 为 8； 全 速 设 备 可 以 是 8或 16或 32或 64。 高 速 端 点 的 控 制 传 输 不 能 占 用 超 过 20%的 微 帧 ， 全 速 和 低 速 的 则 不 能 超 过 10%的 帧 。 在 一 帧 内 如 果 有 多 余 的 未 用 时 间 ， 并 且 没 有 同 步 和 中 断 传 输 ， 可 以 用 来 进 行 控 制 传 输 。23 US

27、B 数 据 流 模 型2. 中 断 传 输 ： 中 断 传 输 是 一 种 轮 询 的 传 输 方 式 ， 是 一 种 单 向 的 传 输 ， HOST通 过 固 定 的 间 隔 对 中断 端 点 进 行 查 询 ， 若 有 数 据 传 输 或 可 以 接 收 数 据 则 返 回 数 据 或 发 送 数 据 ， 否 则 返 回NAK， 表 示 尚 未 准 备 好 。 中 断 传 输 的 延 迟 有 保 证 ， 但 并 非 实 时 传 输 ， 它 是 一 种 延 迟 有 限 的 可 靠 传 输 ， 支 持 错误 重 传 。 对 于 高 速 /全 速 /低 速 端 点 ， 最 大 包 长 度 分

28、别 可 以 达 到 1024/64/8 Bytes。 高 速 中 断 传 输 不 得 占 用 超 过 80%的 微 帧 时 间 ， 全 速 和 低 速 不 得 超 过 90%。 中 断 端 点 的 轮 询 间 隔 由 在 端 点 描 述 符 中 定 义 ， 全 速 端 点 的 轮 询 间 隔 可 以 是 1255mS， 低 速 端 点 为 10255mS， 高 速 端 点 为 (2*interval-1)*125uS， 其 中 interval取 1到 16之 间 的 值 。 除 高 速 高 带 宽 中 断 端 点 外 ， 一 个 微 帧 内 仅 允 许 一 次 中 断 事 务 传 输 ， 高

29、 速 高 带 宽 端 点最 多 可 以 在 一 个 微 帧 内 进 行 三 次 中 断 事 务 传 输 ， 传 输 高 达 3072 字 节 的 数 据 。 24 USB 数 据 流 模 型3. 批 量 传 输 ： 批 量 传 输 是 一 种 可 靠 的 单 向 传 输 ， 但 延 迟 没 有 保 证 ， 它 尽 量 利 用 可 以利 用 的 带 宽 来 完 成 传 输 ， 适 合 数 据 量 比 较 大 的 传 输 。 低 速 USB 设 备 不 支 持 批 量 传 输 ， 高 速 批 量 端 点 的 最 大 包 长 度 为 512，全 速 批 量 端 点 的 最 大 包 长 度 可 以 为

30、 8、 16、 32、 64。 批 量 传 输 在 访 问 USB 总 线 时 ， 相 对 其 他 传 输 类 型 具 有 最 低 的 优 先 级 ，USB HOST 总 是 优 先 安 排 其 他 类 型 的 传 输 ， 当 总 线 带 宽 有 富 余 时 才 安排 批 量 传 输 。 高 速 的 批 量 端 点 必 须 支 持 PING 操 作 ， 向 主 机 报 告 端 点 的 状 态 ， NYET 表 示 否 定 应 答 ， 没 有 准 备 好 接 收 下 一 个 数 据 包 ， ACK 表 示 肯 定 应 答 ，已 经 准 备 好 接 收 下 一 个 数 据 包 。 25 USB 数

31、 据 流 模 型 4. 同 步 传 输 ： 同 步 传 输 是 一 种 实 时 的 、 不 可 靠 的 传 输 ， 不 支 持 错 误 重 发 机 制 。 只有 高 速 和 全 速 端 点 支 持 同 步 传 输 ， 高 速 同 步 端 点 的 最 大 包 长 度 为 1024， 全 速 的 为 1023。 除 高 速 高 带 宽 同 步 端 点 外 ， 一 个 微 帧 内 仅 允 许 一 次 同 步 事 务 传 输 ，高 速 高 带 宽 端 点 最 多 可 以 在 一 个 微 帧 内 进 行 三 次 同 步 事 务 传 输 ， 传输 高 达 3072 字 节 的 数 据 。 全 速 同 步

32、传 输 不 得 占 用 超 过 80%的 帧 时 间 ， 高 速 同 步 传 输 不 得 占 用超 过 90%的 微 帧 时 间 。 同 步 端 点 的 访 问 也 和 中 断 端 点 一 样 ， 有 固 定 的 时 间 间 隔 限 制 。 在 主 机 控 制 器 和 USB HUB 之 间 还 有 另 外 一 种 传 输 分 离 传 输 （ Split Transaction） ， 它 仅 在 主 机 控 制 器 和 HUB之 间 执 行 ， 通 过 分 离 传 输 ， 可以 允 许 全 速 /低 速 设 备 连 接 到 高 速 主 机 。 分 离 传 输 对 于 USB 设 备 来 说 是

33、 透明 的 、 不 可 见 的 。 26 USB2.0 协 议 USB 体 系 简 介 USB 数 据 流 模 型USB 物 理 规 范 USB电 气 规 范 USB 协 议 层 规 范 USB 设 备 架 构 ； USB 主 机 ： 硬 件 和 软 件 USB HUB 规 范 27 28 USB接 口A型 连 接 头1 2 3 4B型 连 接 头1 24 3 黑Ground4 绿Data+(D+)3 白Data-(D-)2 红Vcc1 缆 线 颜 色信 号 名 称引 脚 编 号USB物 理 规 范 USB物 理 规 范 注 ： Mini USB接 口 和 Micro USB接 口 不 属 于

34、 USB2.0协 议 范 围 ； 目 前 多 数 手 机 厂 商 已 宣 布 统 一 使 用 Micro USB接 口作 为 手 机 充 电 器 标 准 接 口 。 29 USB物 理 规 范 USB连 接 器 支 持 热 拔 插 ； 高 速 /全 速 USB线 缆 要 求 使 用 内 含 双 绞 线 的 屏 蔽 线 ， 而 且 必须 打 上 符 合 USB使 用 标 记 ； 低 速 USB推 荐 但 非 要 求 使 用 双 绞线 和 屏 蔽 线 ； 30 USB物 理 规 范 USB 合 法 cable 标 准 可 分 离 的 USB cable=A Plug + B PlugCable最

35、大 长 度 取 决 于 信 号 衰 减 和 传播 延 迟 ， 同 时 受 电 压 跌 落 限 制（ cable跌 落 电 压 125mV） ； 31 USB物 理 规 范 高 速 /全 速 不 可 分 离 USB cableA plug+线 或 客 户 定 义 端A plug端 与 线 的 定 义 同 标 准 USB cable， 都 是 必 须 适 用 与 高 速 /全 速 ；Cable 差 分 线 间 skew100ps； 满 足 高 速 /全 速 的 阻 抗 特 性 要 求 ；电 压 跌 落 ， 衰 减 和 传 播 延 迟 等 也要 满 足 相 关 要 求 ； 32 USB物 理 规 范

36、 低 速 不 可 分 离 USB cableA plug+线 或 客 户 定 义 端满 足 阻 抗 特 性 和 负 载 cap要 求（ 单 端 cap： 200450pf） ；cable最 大 长 度 取 决 于 低 速 信 号 的上 升 和 下 降 时 间 （ 即 传 播 延 迟18ns， 以 满 足 Tr/Tf要 求 ） ； 差 分 skew65%； Low-speed cable；l电 源 线 ： 2820AWG， 不 要 求 绞 线 ; l信 号 线 ： 28AWG， 推 荐 双 绞 线 ;l排 扰 线 （ drain wire ） ： 28AWG镀 锡 铜 线 ;l镀 锡 铜 编 织

37、 层 ： 有 效 区 65%， 推 荐 使 用 ； 35 USB物 理 规 范额 定 电 压 30V (rms)操 作 温 度 范 围 : 0 to +50 存 储 温 度 : -20 to +60 电 阻 ： 36 USB物 理 规 范 USB接 地USB的 屏 蔽 线 必 须 与 插 头 的 机 壳 地 相 连 ； 用 户 可 以 选 择 USB Device与Cable的 接 地 机 制 以 满 足 实 际 需 求 和 安 规 / EMI /ESD /RFI等 要 求 ； 37 USB2.0 协 议 USB 体 系 简 介 USB 数 据 流 模 型 USB 物 理 规 范USB电 气

38、规 范 USB 协 议 层 规 范 USB 设 备 架 构 ； USB 主 机 ： 硬 件 和 软 件 USB HUB 规 范 38 USB 电 气 规 范 信 号 发 送 高 速 信 号 发 送 简 介支 持 480Mbps的 高 速 信 号 传 送 ， 差 分 线 每 条 线 末 端采 用 45 ohm端 接 ,合 计 差 分 阻 抗 为 90ohm；HUB下 行 端 口 ， 必 须 支 持 高 速 、 全 速 和 低 速 ；HUB上 行 端 口 ， 必 须 支 持 高 速 、 全 速 ， 不 支 持 低 速 ；所 以 上 行 端 口 的 D-线 不 允 许 上 拉 1.5K； 39 US

39、B 电 气 规 范 Example High-speed Capable Transceiver Circuit 40 USB 电 气 规 范 USB驱 动 器 特 性 FS LS信 号 波 形 44 USB 电 气 规 范 HS (480Mbps)驱 动 器 特 性 输 出 驱 动 器 单 端 阻 抗 45 10%， 差 分 阻 抗 90 10%； D+或 D-输 出 高 电 平 ： 400mV 10%； 输 出 低 电 平 ： 0 10mV; 电 流 驱 动 方 式 ， D+或 D-正 常 驱 动 电 流 17.78mA; 下 行 端 口 D+或 D-下 拉 15K 10%电 阻 到 GN

40、D(要 关 注 IC是 否 内 部集 成 此 电 阻 ,参 考 如 下 摘 录 ); 要 求 使 用 屏 蔽 线 。 要 求 差 分 阻 抗 90ohm 15%， 共 模 阻 抗30ohm 30%； 单 线 路 延 迟 26ns； PCB板 内 走 线 控 制 差 分 阻 抗 90ohm， 延 迟 可 达 4ns（ 长 度 约 20inch以上 ） ； 45 USB 电 气 规 范 信 号 的 上 升 时 间 /下 降 时 间 FS/LSTr/Tf (10%90%)时 间 ： 420ns1.3VVCRS300K;FS/LS HUB 集 成 cable75pF;LS Device D+或 D-电

41、 容 (集 成 Cable)450pF;FS的 D+或 D-线 上 加 铁 氧 体 bead is discouraged ； 55 USB 电 气 规 范 HS D+或 D-的 DC阻 抗 ： 40.5 ZHSDRV 49.5 . HS 差 分 端 接 阻 抗 ： 80 ZHSTERM 100 HS D+或 D-对 地 CAP10pF; 差 分 CAP5pF; HS的 D+或 D-线 上 加 铁 氧 体 bead is strongly discouraged ； HS 负 载 等 效 电 路 56 USB 电 气 规 范 信 号 电 平 FS/LS电 平 57 USB 电 气 规 范- H

42、S 电 平 58 USB 电 气 规 范 连 接 和 断 开 信 号 59 USB 电 气 规 范HS 设 备 是 通 过 检 测 到 信 号 线 上 出 现 双 倍 的 信 号 电 压 来判 断 连 接 断 开 的 ； 525mVVHSDSC625mV; 60 USB 电 气 规 范上 电 与 连 接 时 序 t1:上 电 电 源 切 换 时 间 ； t2:电 源 稳 定 到 信 号 连 接 时 间 ； t3:reset前 的 确 保 机 电 稳 定 预 留 时 间 ； t4:无 活 动 挂 起 时 间 ； t5:Hub发 送 reset到 device的 时 间 ； t6:reset时 间

43、 ； 10ms minimum 61 USB 电 气 规 范 数 据 信 号 发 送USB数 据 包 采 用 差 分 信 号 传 输 ； 低 速 /全 速 数 据 信 号 发 送 The start of a packet (SOP) is signaled by the originating port by driving the D+ and D- lines from the Idle state to the opposite logic level (K state). 8bit（ L/F） /32bit(FULL) SYNC signal for a packet start；T

44、he SE0 state is used to signal an end-of-packet (EOP). EOP=2bit SE0+1 bit J state； then ,bus recover to Idle state； 62 USB 电 气 规 范 高 速 数 据 信 号 发 送 SOP: 即 由 Idle切 换 到 K状 态 来 宣 告 开 始 发 送 包 ； 其 “ K” 是 SYNC电 平 (NRZI 序 列 KJKJKJKJ KJKJKJKJ KJKJKJKJ KJKJKJKK) 的 第 一 个 symbol; EOP:对 非 SOF的 EOP， 共 8bit； 其 第 1

45、bit为 EOP前 最 后 一 个 symbol取 反 ， 其 余 7bit 与EOP前 最 后 一 个 symbol相 同 ,类 似 NRZI码 的 “ 0111111” ； 对 SOF的 EOP, 为 40bit； 其第 1bit为 EOP前 最 后 一 个 symbol取 反 ， 其 余 bits 与 EOP前 最 后 一 个 symbol相 同 ； 类 似NRZI码 的 “ 01111111 11111111 11111111 11111111 11111111. ” EOP结 束 后 ， BUS恢复 到 Idle状 态 ； Idle： D+和 D-为 “ GND” ； 63 USB

46、电 气 规 范 复 位 信 号 发 送 集 线 器 信 号 通 过 控 制 端 口 上 的 持 久 的 SE0态 来 实 现 对 下 形 端 口 的 复 位 。复 位 信 号 清 除 后 ， 设 备 都 将 处 于 缺 省 状 态 。 复 位 信 号 可 在 任 一 个 集 线 器 或 主 机 的 控 制 端 口 产 生 ， 该 复 位 信 号 的最 小 持 续 时 间 为 10ms。 一 个 设 备 如 果 见 其 上 形 端 口 的 SE0态 持 续 时 间 超 过 2.5us， 则 它 就 把该 信 号 作 为 复 位 信 号 处 理 。 在 复 位 信 号 清 除 后 的 10ms的

47、复 位 恢 复 时 间 后 ， 集 线 器 必 须 能 接 收 所有 集 线 器 请 求 ， 设 备 也 必 须 能 接 收 一 个 SetAddress()请 求 。 如 果 接 收这 些 请 求 失 败 ， 则 设 备 将 不 能 被 USB系 统 软 件 所 识 别 。 64 USB 电 气 规 范 高 速 Hub或 Device的 复 位 协 议先 确 认 是 高 速 device；Hub开 始 发 出 SE0信 号 ； 视 为 T0点 ；Device检 测 SE0信 号 如 果 是 从 挂 起 状 态 唤 醒 ， 则 device在 检 查 到 2.5us的 reset信 号 后 ，

48、 启 动 高 速检 测 握 手 进 程 ； 如 果 是 从 全 速 的 非 挂 起 状 态 唤 醒 ； 则 device在 检 查 到 2.5us3ms的 reset信 号后 ， 启 动 高 速 检 测 握 手 进 程 ； 如 果 是 从 高 速 的 非 挂 起 状 态 唤 醒 ； 则 device切 换 到 全 速 前 ， 必 须 等 待3ms3.125ms； 在 切 换 到 全 速 后 的 100 s 875 s间 ， 如 果 检 测 到 SE0信 号 ，启 动 高 速 检 测 握 手 进 程 ； 65 USB 电 气 规 范高 速 检 测 握 手 进 程 （ 对 低 速 device无

49、效 ） 高 速 device让 D+上 拉 ， 断 开 高 速 端 接 ， 往 Bus上 发 送 Chirp K （ 时 间 17ms， 从T0计 算 ） ； Hub检 测 到 的 Chirp K必 须 大 于 2.5us； 否 则 会 持 续 发 SE0信 号 ， 直 到 reset结 束 ； Bus结 束 Chirp K状 态 后 100us内 ， Hub必 须 不 间 断 的 交 替 发 送 Chirp Ks and Chirp Js信 号 ， 以 保 证 Bus处 于 激 活 状 态 而 不 会 挂 起 ； J或 K信 号 时 长 4060us， Chirp J/K交 替 信 号 必

50、须 持 续 到 reset结 束 前 100500us; Hub发 完 Chirp信 号 后 ， 发 送 SE0信 号 直 到 reset结 束 ； 复 位 结 束 前 Hub必 须 切 换 到高 速 状 态 ； Device发 完 chirp后 ， device必 须 接 收 到 hub的 交 替 Chirp K-J-K-J-K-J 信 号 ， 且 每 位 信 号 的 长 度 大 于 2.5us； 如 果 检 测 OK， device会 在 500us内 ， 断 开 D+上 拉 ， 回 复 高 速 端 接 ， 进 入 高 速 default状 态 ； 如 果 device在 发 完 自 己

51、的 chirp后 1ms2.5ms后 检 测 Fail， device会 切 换 到 全 速 default状 态 直 到 reset结束 。 66 USB 电 气 规 范 挂 起 所 有 的 设 备 都 必 须 能 支 持 挂 起 状 态 ， 并 可 从 任 一 电 平 状 态 进 入 挂 起态 。 当 设 备 发 现 它 们 的 上 行 总 线 上 的 空 闲 态 持 续 时 间 超 3.0ms时 ，它 们 便 进 入 挂 起 态 。 当 设 备 的 所 有 端 口 上 的 总 线 不 活 动 时 间 不 超 过10ms后 ， 设 备 必 须 被 真 正 的 挂 起 ， 此 时 它 仅 从

52、 总 线 上 获 得 挂 起 电 流 。如 果 总 线 缺 少 其 他 的 通 信 流 量 时 ， SOF令 牌 将 在 每 （ 微 ） 帧 中 出 现一 次 ， 以 防 止 全 速 /高 速 设 备 被 挂 起 。 当 任 一 低 速 设 备 缺 乏 通 信 流 量时 ， 在 SOF令 牌 出 现 的 每 一 帧 中 至 少 有 一 个 低 速 设 备 处 于 活 动 态 ，以 避 免 它 们 不 被 挂 起 。 当 处 在 挂 起 状 态 时 ， 设 备 必 须 继 续 为 它 的 D+(高 速 )或 D-(低 速 )上 的Rpu电 阻 提 供 电 压 从 而 维 持 一 个 空 闲 态

53、， 这 样 上 行 集 线 器 才 能 为 设 备 维 持 正 确 的 连 结 状 态 。 67 USB 电 气 规 范 高 速 设 备 挂 起 额 外 要 求高 速 device如 果 检 测 到 Bus为 Idle状 态 大 于 3ms，device将 在 idle开 始 后 的 3.125us内 转 换 到 全 速 配 置 ；切 换 到 全 速 后 的 100us875us期 间 ， device会 采 样 Bus状 态 ， 如 果 是 全 速 下 的 J状 态 ， device会 继 续 挂 起 ；高 速 device或 下 行 端 口 从 挂 起 唤 醒 后 ， 必 须 回 复 到

54、高速 状 态 ； 68 USB 电 气 规 范挂 起 又 可 分 为 全 局 挂 起 和 局 部 挂 起 。 全 局 挂 起 当 在 总 线 的 任 何 地 方 没 有 通 信 需 要 时 ， 就 要 用 到 全 局 挂 起 ， 此 时 所 有 总线 都 处 在 挂 起 状 态 。 主 机 通 过 中 止 它 所 有 的 传 送 (包 括 SOF令 牌 )来 发 送开 始 全 局 挂 起 信 号 。 当 总 上 的 每 个 设 备 识 别 总 线 的 空 闲 态 持 续 适 当 时 间时 ， 它 将 进 入 挂 起 状 态 。 局 部 挂 起 可 以 通 过 向 集 线 器 端 口 发 送 S

55、etPortFeature(PORT-SUSPEND)来 使 与其 相 连 的 总 线 部 分 被 挂 起 ， 此 时 处 于 那 部 分 的 设 备 经 过 上 面 所 说 的 适 当时 延 后 进 入 挂 起 状 态 。 69 USB 电 气 规 范 唤 醒 处 在 挂 起 状 态 的 设 备 ， 当 它 的 上 行 端 口 接 收 到 任 一 非 空 闲 信 号 时 ， 它 的操 作 将 被 唤 醒 。 特 别 地 ， 如 果 设 备 的 远 程 唤 醒 功 能 被 USB系 统 软 件 开 启时 ， 它 也 可 以 发 信 号 给 系 统 来 完 成 唤 醒 操 作 。 唤 醒 信 号

56、 由 主 机 或 设 备 使用 ， 以 使 一 个 挂 起 的 总 线 段 回 到 活 动 态 。 集 线 器 在 唤 醒 信 号 的 生 成 和 传播 中 起 了 十 分 重 要 的 作 用 。 设 备 唤 醒 时 总 有 一 个 先 后 次 序 ， 我 们 将 在 后面 详 细 介 绍 。 USB系 统 软 件 必 须 提 供 10ms的 唤 醒 恢 复 时 间 ， 在 这 段 时 间 内 ， 它 将 不 对与 被 唤 醒 的 部 分 总 线 相 连 的 任 一 设 备 进 行 操 作 。 端 口 的 中 断 与 连 接 也 可 以 使 集 线 器 发 送 一 个 复 位 信 号 ， 从

57、而 唤 醒 系 统 ，但 仅 当 集 线 器 具 有 远 程 唤 醒 使 能 时 ， 这 些 事 件 才 能 引 起 集 线 器 发 送 唤 醒 信 号 。 70 USB 电 气 规 范 数 据 的 编 码 与 解 码在 包 传 送 时 ， USB使 用 一 种 NRZI(None Return Zero Invert， 即 无 回 零 反 向 码 )编 码 方 案 。在 该 编 码 方 案 中 ， “ 1” 表 示 电 平 不 变 ， “ 0” 表 示 电 平 改 变 。 图 8列 出 了 一 个 数 据 流及 其 它 的 NRII编 码 ， 在 该 图 的 第 二 个 波 形 图 中 ，

58、一 开 始 的 高 电 平 表 示 数 据 线 上 的 J态 ，后 面 就 是 NRZI编 码 。 NRZI数 据 编 码 71 USB 电 气 规 范 位 插 入为 了 确 集 信 号 发 送 的 准 确 性 ， 当 在 USB上 发 送 一 个 包 时 ， 传 送 设 备 就 要 进 行 位 插 入 操作 。 所 谓 位 插 入 操 作 是 指 在 数 据 被 编 码 前 ， 在 数 据 流 中 每 六 个 连 续 的 1 后 插 入 一 个 0 ， 从 而 强 迫 NRZI码 发 生 变 化 ， 如 图 所 示 。 位 插 入 数 据 编 码 序 列 原 始 数 据 位 插 入 数 据

59、同 步 块 数 据 包 NRZI编 码 后 的 数 据 位 插 入 72 USB 电 气 规 范位 插 入 操 作 从 同 步 格 式 (如 图 10所 示 )开 始 ， 贯 穿 于 整 个 传 送 过 程 ， 在 同 步 格 式 端 的数 据 1 作 为 真 正 数 据 流 的 第 一 位 。 位 插 入 操 作 是 由 传 送 端 强 制 执 行 的 ， 是 没 有 例外 的 。 如 果 严 格 遵 守 位 插 入 规 则 ， 甚 至 在 EOP信 号 结 束 前 也 要 插 入 一 位 0 位 。 同 步 格 式NRZI数 据 编 码 同 步 格 式空 闲 73 USB 电 气 规 范接

60、 收 端 必 须 能 对 NRZI数 据 进 行 解 码 ， 识 别 插 入 位 并 去 掉 它 们 。 如 果 接 收 端 发 现 包中 任 一 处 有 七 个 连 续 的 “ 1” ， 则 将 会 产 生 一 个 位 插 入 错 误 ， 该 数 据 包 将 被 忽 略 。 关 于 位 的 插 入 有 一 个 特 例 ， 那 就 是 刚 好 在 EOP前 的 时 间 间 隔 ， EOP前 的 最 后 一个 数 据 位 可 能 被 集 线 器 的 转 换 偏 移 而 拉 长 ， 这 种 情 况 如 图 11所 示 。 传 送 的 数 据接 收 的 特 别 位 ， 没 有 错 从 传 送 器 来

61、 的 数 据 接 收 端 数 据 对 EOP前 的 特 别 位 的 说 明 74 USB 电 气 规 范 同 步 pattern 全 速 /低 速 ： KJKJKJKK;共 8bits； 高 速 ： 15个 KJ对 +2个 KK； 32bits； 每 个 Hub允 许丢 4bit； 经 过 5级 Hub后 ， 最 少 可 能 只 有 12bits； 75 USB 电 气 规 范 数 据 信 号 的 发 送 速 率 高 速 数 据 发 送 率 通 常 为 480.000Mb/s， 主 机 ， 集 线 器 和 高 速 设 备的 数 据 率 误 差 为 0.05%(500ppm)。 对 支 持 高

62、速 USB的 主 机 ， 集线 器 和 设 备 ， 工 作 在 任 何 速 率 下 数 据 率 误 差 为 0.05%(500ppm)。 全 速 数 据 发 送 率 通 常 为 12.000Mb/s， 主 机 ， 集 线 器 和 高 速 设 备 的数 据 率 误 差 为 0.25%(2500ppm)。 集 线 器 控 制 器 的 数 据 率 应 该准 确 地 知 道 ， 其 误 差 最 好 控 制 在 0.05%(500ppm)内 。 低 速 数 据 发 送 率 为 1.50Mb/s， 低 速 功 能 设 备 所 允 许 的 误 差 为 1.5%(15000ppm)。 以 上 所 述 的 误

63、差 ， 主 要 由 下 面 的 几 种 情 况 所 引 起 : 初 始 频 率 精 度 ； crystal负 载 电 容 量 的 影 响 振 荡 器 上 电 压 供 应 的 稳 定 性 影 响 温 度 的 影 响 器 件 的 老 化 76 USB 电 气 规 范 帧 与 帧 间 隔 （ Frame Interval ） 在 低 速 、 全 速 模 式 下 ， 主 机 每 间 隔 1ms(这 个 1ms称 为一 帧 ， 允 许 误 差 0.005ms)发 送 一 个 帧 开 始 令 牌 包SOF(Start of Frame)。 包 含 SOF标 记 、 帧 序 列 号 及CRC5校 验 码 。

64、 在 高 速 模 式 下 ， 主 机 每 间 隔 1/8ms（ 即 为 一 微 帧 ，允 许 误 差 0.0625 s） 发 送 一 个 帧 开 始 令 牌 包 SOF。 相 邻 帧 间 隔 时 间 差 0.5bit time(full speed); 相 邻 微 帧 间 隔 时 间 差 4bits time(high speed); 77 USB 电 气 规 范 数 据 源 的 抖 动 在 数 据 发 送 的 边 缘 时 间 内 ， 数 据 源 可 能 发 生 一 些 变 化 (即 抖 动 )。 处 在 任 何 数 据 变 化 集间 的 时 间 为 N*Tperiod 抖 动 时 间 ， 其

65、 中 N为 发 生 变 化 的 位 数 ， Tperiod为 具 有 一 定 范围 的 数 据 率 的 实 际 时 间 段 。 数 据 抖 动 的 测 量 与 计 算 最 大 上 升 沿 和 下 降 沿 时 所 用 的 负 载相 同 ， 并 且 它 们 在 数 据 线 的 交 叉 点 处 进 行 测 量 ， 如 图 12。 对 高 速 传 送 ， Jitter需 要 满 足 眼 图 要 求 ； 对 于 全 速 传 送 ， 任 何 连 续 的 差 分 数 据 变 化 的 抖 动 时 间 为 必 须 在 2.0ns内 ， 对 于 任 何 一个 成 对 出 现 的 差 分 数 据 变 化 (Jk到

66、下 一 个 Jk的 变 化 或 kJ到 下 一 个 kJ的 变 化 )的 抖 动 时 间必 须 在 1.0ns内 。 对 于 低 速 传 送 ， 任 何 连 续 的 差 分 数 据 变 化 的 抖 动 时 间 必 须 在 25ns内 ， 而 任 一 成 对 出现 差 分 数 据 变 化 的 抖 动 时 间 必 须 在 10ns内 。 这 些 抖 动 的 现 象 包 括 时 间 的 变 化 ， 主 要 归 咎 于 差 分 缓 冲 器 的 延 迟 和 上 升 沿 及 下 降 沿时 间 的 不 匹 配 ， 内 部 时 钟 抖 动 ， 噪 声 及 其 他 随 机 因 素 的 影 响 。 78 USB 电 气 规 范 差 分 数 据 线 抖 动 数 据 抖 动 分 类连 续 变 化成 对 的 变 化 Tperiod的 整 数 多 元化桥 接 点 79 USB 电 气 规 范 接 收 端 数 据 的 抖 动 当 抖 动 存 在 时 ， 任 何 设 备 类 型 的 数 据 接 收 必 须 能 正 确 地 对 差 分 数 据进 行 解 码 。 这 种 情 况 的 抖 动 可 能 是 由 上 面 所 说