USB子系统学习（一）USB电气信号

1、声明

本文是在学习韦东山《驱动大全》USB子系统时，为梳理知识点和自己回看而记录，全部内容高度复制粘贴。

韦老师的《驱动大全》：商品详情

其对应的讲义资料：https://e.coding.net/weidongshan/linux/doc_and_source_for_drivers.git

2、USB协议概述

USB（Universal Serial Bus）即通用串行总线，是一种广泛应用于计算机和外部设备之间的通信协议，旨在简化设备之间的连接和数据传输。它允许各种设备（如键盘、鼠标、打印机、存储设备、摄像头等）通过统一的接口与计算机进行连接和通信。

3、USB电气信号

3.1、USB基础概念

1. USB有四条线，分别是5V、D+、D-、GND。
2. 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)。
3. 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。

3.1.1、低速/全速信号电平

这里列出几个主要的名词：

• Differential “1”和 Differential “0”
• Data J state 和 Data K state
• Idle state

3.1.2、高速信号电平

这里列出几个主要的名词：

• Differential “1”和 Differential “0”
• Data J state 和 Data K state
• Idle state
• Chirp J state 和 Chirp K state

3.2、学习目标

下图是USB设备状态切换图，我们将按顺序理解红框里的内容：

Attached -> Powered -> Default -> Address -> Configured：

• Attached -> Powered：Hub监测到设备插入后，Hub会给设备上电。【在这个阶段，主要学习USB设备的连接与断开】
• Powered -> Default：设备上电后，Hub会向设备发出Reset信号，让设备工作在默认状态或者与设备协商是否工作于高速模式。【在这个阶段，主要学习USB Hub的复位信号】
• Default -> Address：Hub会为设备分配出一个地址。【在这个阶段，主要学习USB Hub和USB设备之间是如何传输数据的】
• Address -> Configured：

3.3、设备断开与连接

USB Hub如何监测设备的连接与断开呢？

3.3.1、连接

Hub端口的D+、D-都有15K的下拉电阻，平时为低电平。

高速设备，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高速/全速设备还是低速设备。（那Hub如何区分高速设备还是全速设备呢？这里先不讨论。）

高速设备、全速设备连接时，Hub端口的D+引脚的电平由低变高：

低速设备连接时，Hub端口的D-引脚的电平由低变高：

3.3.2、断开

前面说到，当低速设备、全速设备接到Hub时，会导致Hub的D-或D+引脚电平由低变高。所以反过来，当低速设备，全速设备拔出时，D-或D+引脚电平由高变低：

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，Hub和USB设备的D+、D-引脚各有45欧姆的下拉电阻，用来消除反射信号：

当高速设备拔出后，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：

3.4、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”。

3.5、设备速率识别

3.5.1、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。

3.5.2、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，这可以细分为以下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设备断开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。

3.6、数据信号

• SOP：起始信号
• SYNC：同步信号
• Packet Content：数据包
• EOP：结束信号

3.6.1、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。

从下面低速/全速信号电平的图中可以看到，Idle状态就是J状态。上面说SOP信号从Idle状态变为K状态其实就是从J状态切换到K状态。因为这里讨论的模式包括了低速和全速模式，为了统一描述，就用Idle状态概括了低速和高速模式中两个不同的J状态，低速模式的J状态对应Differential 0电平，高速模式的J状态对应Differential 1电平：

3.6.2、高速的SOP和EOP

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，Idle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。

3.6.3、NRZI与位填充

现在抛出一个问题。USB协议中，即没有时钟线，也不用事先约定好波特率，那是如何有效传输数据的呢？回答是靠 SYNC 信号来确保数据传输的同步，也就是接收端会以SYNC信号为基准来同步后续的数据接收。

那又是如何靠SYNC信号来同步的数据的？到这不得不介绍NRZI编码。USB 是采用 NRZI 编码来传输数据的，电平翻转代表逻辑 0，电平不变代表逻辑 1。

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。