USB協(xié)議中文詳解

1、USB2.0協(xié)議詳解Daxiang_201110311序USB發(fā)展歷史 傳統(tǒng)的串口、并口通訊方式逐漸不能滿足現(xiàn)有系統(tǒng)或者設備的數(shù)據(jù)傳輸速率需求。以Intel為首的七家公司于1994年推出了USB(Universal Serial Bus，通用串行總線協(xié)議)概念，并在隨后的幾年內(nèi)不斷的對USB協(xié)議進行改進，成功推行USB 1.1；2004年底，正式推出了USB 2.0協(xié)議。接口與USB1.1兼容；2007秋季，正式推出了USB 3.0協(xié)議。2序USB 1.1與USB 2.0之間的差別3USB2.0 協(xié)議 USB 體系簡介 USB 數(shù)據(jù)流模型 USB 物理規(guī)范 USB 電氣規(guī)范 USB 協(xié)議層規(guī)范

2、 USB 設備架構(gòu)； USB 主機：硬件和軟件 USB HUB 規(guī)范4USB 體系簡介 USB 是一種支持熱插拔的高速串行傳輸總線，使用差分信號來傳輸數(shù)據(jù)，最高速度可達 480Mb/S。 USB 支持“總線供電”和“自供電”兩種供電模式。在總線供電模式下，USB2.0設備最多可以獲得500mA的電流； USB2.0 被設計成為向下兼容的模式，當有全速 （USB 1.1）或者低速（USB 1.0）設備連接到高速（USB 2.0）主機時，主機可以通過分離傳輸來支持它們。 一條 USB 總線上，可達到的最高傳輸速度等級由該總線上最慢的“設備”決定，該設備包括主機、HUB以及USB功能設備。5USB

3、體系簡介 USB 體系包括“主機”、“設備”以及“物理連接”三個部分。 主機是一個提供USB接口及接口管理能力的硬件、軟件及固件的復合體，可以是PC，也可以是OTG設備。一個USB 系統(tǒng)中僅有一個USB主機； 設備包括 USB功能設備和 USB HUB，最多支持 127個設備； 物理連接即指的是USB 的傳輸線。 在USB 2.0系統(tǒng)中，要求使用屏蔽的雙絞線。 USB 體系采用分層的星型拓撲來連接所有USB設備6USB 體系簡介 以 HOST-ROOT HUB為起點，最多支持 7 層（Tier），也就是說任何一個USB 系統(tǒng)中最多可以允許 5個 USB HUB 級聯(lián)。一個復合設備（Compou

4、nd Device）將同時占據(jù)兩層或更多的層。 ROOT HUB 是一個特殊的 USB HUB，它集成在主機控制器里，不占用地址。 “復合設備（Compound Device）”可以占用多個地址。所謂復合設備其實就是把多個功能設備通過內(nèi)置的 USB HUB 組合而成的設備，比如帶錄音話筒的 USB 攝像頭等。 一個 USB HOST 最多可以同時支持 128 個地址，地址 0 作為默認地址，只在設備枚舉期間臨時使用，而不能被分配給任何一個設備，因此一個 USB HOST 最多可以同時支持 127 個地址，如果一個設備只占用一個地址，那么可最多支持 127個 USB 設備（含USB HUB）。7

5、USB 體系簡介8USB 體系簡介 USB USB 采用輪詢的廣播機制傳輸數(shù)據(jù) 所有的傳輸都由主機發(fā)起，任何時刻整個USB體系內(nèi)僅允許一個數(shù)據(jù)包的傳輸，即不同物理傳輸線上看到的數(shù)據(jù)包都是同一被廣播的數(shù)據(jù)包; USB USB 采用“令牌包”-“-“數(shù)據(jù)包”-“-“握手包”的傳輸機制 在令牌包中指定數(shù)據(jù)包去向或者來源的設備地址和端點（Endpoint），從而保證了只有一個設備對被廣播的數(shù)據(jù)包/令牌包作出響應。 握手包表示了傳輸?shù)某晒εc否。 數(shù)據(jù)包：USB 總線上數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖钚挝?，包?SYNC、數(shù)據(jù)及 EOP 三個部分。其中數(shù)據(jù)的格式針對不同的包有不同的格式。但都以 8 位的 PID 開始。PI

6、D 指定了數(shù)據(jù)包的類型（共 16種）。令牌包即指 PID 為 IN/OUT/SETUP的包。 端點（Endpoint）：是 USB 設備中的可以進行數(shù)據(jù)收發(fā)的最小單元，支持單向或者雙向的數(shù)據(jù)傳輸。設備支持端點的數(shù)量是有限制的，除默認端點外低速設備最多支持 2 組端點（2 個輸入，2 個輸出），高速和全速設備最多支持 15 組端點。910包包的基本格式包結(jié)尾字段(EOP)(EOP)CRCCRC字段數(shù)據(jù)字段PIDPID字段同步字段(SYNC)(SYNC)USB 體系簡介11令牌(token)包CRC5CRC5ENDPENDPADDRADDRPIDPIDSYNCSYNC5 5位4 4位7 7位8 8

7、位8 8位PIDUSB 體系簡介12數(shù)據(jù)包CRC16CRC16DATADATAPIDPIDSYNCSYNC1616位0102301023字節(jié)8 8位8 8位/32/32位PIDSYNC8位8 8位/32/32位SYNC:Low/Full SYNC:Low/Full speedspeed為8 8位；Hi-Hi-speedspeed為3232位；PID握手包PIDUSB 體系簡介USB 體系簡介 管道（Pipe）管道是主機和設備端點之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪Ｐ?，共有兩種類型的管道； 無格式的流管道（Stream Pipe） 有格式的信息管道Message Pipe）。任何USB設備一旦上電就存在一個信息管道

8、，即默認的控制管道，USB 主機通過該管道來獲取設備的描述、配置、狀態(tài)，并對設備進行配置。 USB 設備連接到 HOST 時，HOST必須通過默認的控制管道對其進行枚舉，完成獲得其設備描述、進行地址分配、獲得其配置描述、進行配置等操作方可正常使用。USB 設備的即插即用特性即依賴于此。13USB 體系簡介 USB 體系四種傳輸類型的 控制傳輸：主要用于在設備連接時對設備進行枚舉以及其他因設備而異的特定操作。 中斷傳輸：用于對延遲要求嚴格、小量數(shù)據(jù)的可靠傳輸，如鍵盤、游戲手柄等。 批量傳輸：用于對延遲要求寬松，游戲手柄等大量數(shù)據(jù)的可靠傳輸，如U盤等。 同步傳輸：用于對可靠性要求不高的實時數(shù)據(jù)傳輸

9、，如攝像頭、USB 音響等。不同的傳輸類型在物理上并沒有太大的區(qū)別，只是在傳輸機制、主機安排傳輸任務、可占用USB 帶寬的限制以及最大包長度有一定的差異。 14USB 體系簡介 USB 設備通過管道和HOST 通信，在默認控制管道上接受并處理以下三種類型的請求： 標準請求：一共有11 個標準請求，如得到設備描述、設置地址、得到配置描述等。所有USB 設備均應支持這些請求。HOST 通過標準請求來識別和配置設備。 類（class）請求：USB 還定義了若干個子類，如HUB 類、大容量存儲器類等。不同的類又定義了若干類請求，該類設備應該支持這些類請求。設備所屬類在設備描述符中可以得到。 廠商請求：

10、這部分請求并不是 USB 規(guī)范定義的，而是設備生產(chǎn)商為了實現(xiàn)一定的功能而自己定義的請求。15USB 體系簡介 USB 接口擴展 USB HUB提供了一種低成本、低復雜度的USB 接口擴展方法。HUB的上行PORT 面向 HOST，下行 PORT 面向設備（HUB 或功能設備）。在下行 PORT 上，HUB 提供了設備連接檢測和設備移除檢測的能力，并給各下行PORT供電。 HUB可以單獨使能各下行PORT，不同PORT 可以工作不同的速度等級（高速/全速/低速）。 USB HUBHUB由HUB重發(fā)器（HUB Repeater）、轉(zhuǎn)發(fā)器（Transaction Translator）以及HUB 控

11、制器（HUB Controller）三部分組成。 HUB Repeater是上行PORT 和下行PORT之間的一個協(xié)議控制的開關，它負責高速數(shù)據(jù)包的重生與分發(fā); HUB 控制器負責和 HOST的通信，HOST通過 HUB 類請求和 HUB 控制器通訊，獲得關于 HUB 本身和下行 PORT 的 HUB 描述符，進行HUB和下行PORT 的監(jiān)控和管理。 轉(zhuǎn)發(fā)器提供了從高速和全速/低速通訊的轉(zhuǎn)換能力，通過 HUB 可以在高速 HOST 和全速/低速設備之間進行匹配。 HUB 在硬件上支持 Reset、Resume、Suspend。16USB 體系簡介 USB HOST 在USB體系中負責設備連接/

12、移除的檢測、HOST 和設備之間控制流和數(shù)據(jù)流的管理、傳輸狀態(tài)的收集、總線電源的供給。 17USB2.0 協(xié)議 USB 體系簡介 USB 數(shù)據(jù)流模型 USB 物理規(guī)范 USB 電氣規(guī)范 USB 協(xié)議層規(guī)范 USB 設備架構(gòu)； USB 主機：硬件和軟件 USB HUB 規(guī)范18USB 數(shù)據(jù)流模型 USB 體系在實現(xiàn)時采用分層的結(jié)構(gòu)19USB 數(shù)據(jù)流模型 在 HSOT端，應用軟件（Client SW）不能直接訪問 USB 總線，而必須通過USB系統(tǒng)軟件和USB主機控制器來訪問 USB 總線，在 USB總線上和USB 設備進行通訊。 從邏輯上可以分為功能層、設備層和總線接口層三個層次。 功能層完成功

13、能級的描述、定義和行為； 設備級則完成從功能級到傳輸級的轉(zhuǎn)換，把一次功能級的行為轉(zhuǎn)換為一次一次的基本傳輸； USB 總線接口層則處理總線上的Bit流，完成數(shù)據(jù)傳輸?shù)奈锢韺訉崿F(xiàn)和總線管理。途中黑色箭頭代表真實的數(shù)據(jù)流，灰色箭頭代表邏輯上的通訊。 20USB 數(shù)據(jù)流模型 物理上，USB設備通過分層的星型總線連接到 HOST，但在邏輯上HUB是透明的，各USB 設備和HOST直接連接，和 HOST上的應用軟件形成一對一的關系。如下圖所示： 各應用軟件-功能設備對之間的通訊相互獨立，應用軟件通過USB設備驅(qū)動程序(USBD)發(fā)起 IRQ 請求，請求數(shù)據(jù)傳輸。 主機控制器驅(qū)動程序（HCD）接收 IRQ

14、請求，并解析成為 USB傳輸和傳輸事務（Transaction），并對 USB 系統(tǒng)中的所有傳輸事務進行任務排定 （因為可能同時有多個應用軟件發(fā)起 IRQ 請求）。 主機控制器（Host Controller）執(zhí)行排定的傳輸任務，在同一條共享的 USB 總線上進行數(shù)據(jù)包的傳輸。如右圖所示。21USB 數(shù)據(jù)流模型 USB 端點、管道和接口的關系。 USB 系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的傳輸，宏觀的看來是在HOST 和 USB 功能設備之間進行；微觀的看是在應用軟件的 Buffer 和 USB 功能設備的端點之間進行。一般來說端點都有 Buffer，可以認為USB通訊就是應用軟件Buffer和設備端點Buffer之

15、間的數(shù)據(jù)交換，交換的通道稱為管道。 應用軟件通過和設備之間的數(shù)據(jù)交換來完成設備的控制和數(shù)據(jù)傳輸。通常需要多個管道來完成數(shù)據(jù)交換，因為同一管道只支持一種類型的數(shù)據(jù)傳輸。 用在一起來對設備進行控制的若干管道稱為設備的接口; 一個 USB 設備可以包括若干個端點，不同的端點以端點編號和方向區(qū)分。不同端點可以支持不同的傳輸類型、訪問間隔以及最大數(shù)據(jù)包大小。除端點 0外，所有的端點只支持一個方向的數(shù)據(jù)傳輸。端點 0是一個特殊的端點，它支持雙向的控制傳輸。管道和端點關聯(lián)，和關聯(lián)的端點有相同的屬性，如支持的傳輸類型、最大包長度、傳輸方向等。22USB 數(shù)據(jù)流模型 四種傳輸類型(控制/中斷/批量/同步傳輸)1

16、. 控制傳輸： 控制傳輸是一種可靠的雙向傳輸，一次控制傳輸可分為三個階段。 第一階段為從HOST到Device的SETUP事務傳輸，這個階段指定了此次控制傳輸?shù)恼埱箢愋停?第二階段為數(shù)據(jù)階段，也有些請求沒有數(shù)據(jù)階段； 第三階段為狀態(tài)階段，通過一次IN/OUT 傳輸表明請求是否成功完成。 控制傳輸通過控制管道在應用軟件和 Device 的控制端點之間進行，控制傳輸過程中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是有格式定義的，USB 設備或主機可根據(jù)格式定義解析獲得的數(shù)據(jù)含義。其他三種傳輸類型都沒有格式定義。 控制傳輸對于最大包長度有固定的要求。對于高速設備該值為 64Byte；對于低速設備該值為 8；全速設備可以是 8或 1

17、6或 32或 64。 高速端點的控制傳輸不能占用超過 20%的微幀，全速和低速的則不能超過 10%的幀。 在一幀內(nèi)如果有多余的未用時間，并且沒有同步和中斷傳輸，可以用來進行控制傳輸。23USB 數(shù)據(jù)流模型2. 中斷傳輸：中斷傳輸是一種輪詢的傳輸方式，是一種單向 的傳輸，HOST通過固定的間隔對中斷端點進行查詢，若有數(shù)據(jù)傳輸或可以接收數(shù)據(jù)則返回數(shù)據(jù)或發(fā)送數(shù)據(jù)，否則返回NAK，表示尚未準備好。 中斷傳輸?shù)难舆t有保證，但并非實時傳輸，它是一種延遲有限的可靠傳輸，支持錯誤重傳。 對于高速/全速/低速端點，最大包長度分別可以達到1024/64/8 Bytes。 高速中斷傳輸不得占用超過 80%的微幀時間

18、，全速和低速不得超過 90%。 中斷端點的輪詢間隔由在端點描述符中定義，全速端點的輪詢間隔可以是 1255mS，低速端點為 10255mS，高速端點為(2*interval-1)*125uS，其中 interval取 1到 16之間的值。 除高速高帶寬中斷端點外，一個微幀內(nèi)僅允許一次中斷事務傳輸，高速高帶寬端點最多可以在一個微幀內(nèi)進行三次中斷事務傳輸，傳輸高達 3072 字節(jié)的數(shù)據(jù)。 24USB 數(shù)據(jù)流模型3. 批量傳輸：批量傳輸是一種可靠的單向傳輸，但延遲沒有保證，它盡量利用可以利用的帶寬來完成傳輸，適合數(shù)據(jù)量比較大的傳輸。 低速 USB 設備不支持批量傳輸，高速批量端點的最大包長度為 51

19、2，全速批量端點的最大包長度可以為 8、16、32、64。 批量傳輸在訪問 USB 總線時，相對其他傳輸類型具有最低的優(yōu)先級，USB HOST 總是優(yōu)先安排其他類型的傳輸，當總線帶寬有富余時才安排批量傳輸。 高速的批量端點必須支持PING 操作，向主機報告端點的狀態(tài)，NYET 表示否定應答，沒有準備好接收下一個數(shù)據(jù)包，ACK 表示肯定應答，已經(jīng)準備好接收下一個數(shù)據(jù)包。25USB 數(shù)據(jù)流模型 4. 同步傳輸： 同步傳輸是一種實時的、不可靠的傳輸，不支持錯誤重發(fā)機制。只有高速和全速端點支持同步傳輸，高速同步端點的最大包長度為 1024，全速的為 1023。 除高速高帶寬同步端點外，一個微幀內(nèi)僅允許

20、一次同步事務傳輸，高速高帶寬端點最多可以在一個微幀內(nèi)進行三次同步事務傳輸，傳輸高達 3072 字節(jié)的數(shù)據(jù)。 全速同步傳輸不得占用超過 80%的幀時間，高速同步傳輸不得占用超過 90%的微幀時間。 同步端點的訪問也和中斷端點一樣，有固定的時間間隔限制。 在主機控制器和 USB HUB 之間還有另外一種傳輸分離傳輸（Split Transaction），它僅在主機控制器和 HUB之間執(zhí)行，通過分離傳輸，可以允許全速/低速設備連接到高速主機。分離傳輸對于USB 設備來說是透明的、不可見的。26USB2.0 協(xié)議 USB 體系簡介 USB 數(shù)據(jù)流模型USB 物理規(guī)范 USB電氣規(guī)范 USB 協(xié)議層規(guī)范

21、 USB 設備架構(gòu)； USB 主機：硬件和軟件 USB HUB 規(guī)范2728USB接口A A型連接頭1234B B型連接頭1 12 24 43 3黑GroundGround4 4綠Data+(D+)Data+(D+)3 3白Data-(D-)Data-(D-)2 2紅VccVcc1 1纜線顏色信號名稱引腳編號USB物理規(guī)范USB物理規(guī)范注：注：Mini USBMini USB接口和接口和Micro USBMicro USB接口不屬于接口不屬于USB2.0USB2.0協(xié)議范圍；目前多數(shù)手機廠商已宣布統(tǒng)一使用協(xié)議范圍；目前多數(shù)手機廠商已宣布統(tǒng)一使用 Micro USBMicro USB接口作為手機

22、充電器標準接口。接口作為手機充電器標準接口。29USB物理規(guī)范 USB連接器支持熱拔插； 高速/全速USB線纜要求使用內(nèi)含雙絞線的屏蔽線，而且必須打上符合USB使用標記；低速USB推薦但非要求使用雙絞線和屏蔽線；30USB物理規(guī)范 USB 合法cable 標準可分離的USB cable=A Plug + B PlugCable最大長度取決于信號衰減和傳播延遲，同時受電壓跌落限制（cable跌落電壓125mV）；31USB物理規(guī)范 高速/全速 不可分離 USB cable A plug+線或客戶定義端A plug端與線的定義同標準USB cable，都是必須適用與高速/全速；Cable 差分線間

23、skew100ps；滿足高速/全速的阻抗特性要求；電壓跌落，衰減和傳播延遲等也要滿足相關要求；32USB物理規(guī)范 低速不可分離 USB cable A plug+線或客戶定義端滿足阻抗特性和負載cap要求（單端cap：200450pf）；cable最大長度取決于低速信號的上升和下降時間（即傳播延遲18ns，以滿足Tr/Tf要求）；差分skew65%； Low-speed cable；l電源線：2820AWG，不要求絞線;l信號線：28AWG，推薦雙絞線;l排擾線（ drain wire ）：28AWG鍍錫銅線;l鍍錫銅編織層：有效區(qū)65%，推薦使用；35USB物理規(guī)范 額定電壓30V (rms

24、) 操作溫度范圍: 0 to +50 存儲溫度: -20 to +60 電阻：36USB物理規(guī)范 USB接地USB的屏蔽線必須與插頭的機殼地相連；用戶可以選擇USB Device與Cable的接地機制以滿足實際需求和安規(guī)/ EMI /ESD /RFI等要求；37USB2.0 協(xié)議 USB 體系簡介 USB 數(shù)據(jù)流模型 USB 物理規(guī)范USB電氣規(guī)范 USB 協(xié)議層規(guī)范 USB 設備架構(gòu)； USB 主機：硬件和軟件 USB HUB 規(guī)范38USB 電氣規(guī)范 信號發(fā)送 高速信號發(fā)送簡介 支持480Mbps的高速信號傳送，差分線每條線末端采用45 ohm端接,合計差分阻抗為90ohm； HUB下行端

25、口，必須支持高速、全速和低速； HUB上行端口，必須支持高速、全速，不支持低速；所以上行端口的D-線不允許上拉1.5K；39USB 電氣規(guī)范Example High-speed Capable Transceiver Circuit40USB 電氣規(guī)范 USB驅(qū)動器特性 FS &LS輸出的低電平電壓00.3V；輸出高電平電壓2.8V3.6V； HS輸出的差分低電平電壓-10+10mV；輸出差分高電平電壓360440mV； USB Port信號還必須能連續(xù)耐受與Vbus、GND或其他數(shù)據(jù)線的短路； USB Port信號在任何驅(qū)動狀態(tài)都必須能連續(xù)耐受如下電壓波形；USB信號發(fā)送的最大輸出波

26、形41USB 電氣規(guī)范 FS 驅(qū)動器特性 連接要求用屏蔽的雙絞線，差分阻抗90ohm15%；共模阻抗3030%；單線最大延遲26ns； 不支持HS的，每條線驅(qū)動器的阻抗要求2844ohm； 支持HS的，每條線驅(qū)動器的阻抗要求40.549.5ohm；42USB 電氣規(guī)范 FS信號波形43USB 電氣規(guī)范LS 驅(qū)動器特性連線與device組合電容， 450pFD+或D-線電容200pF；無阻抗控制要求；Cable傳播延遲小于18nS;LS信號波形44USB 電氣規(guī)范HS (480Mbps)驅(qū)動器特性 輸出驅(qū)動器單端阻抗4510%，差分阻抗9010%； D+或D-輸出高電平：400mV10%；輸出低

27、電平：010mV; 電流驅(qū)動方式，D+或D-正常驅(qū)動電流17.78mA; 下行端口D+或D-下拉15K 10%電阻到GND(要關注IC是否內(nèi)部集成此電阻,參考如下摘錄); 要求使用屏蔽線。要求差分阻抗90ohm15%，共模阻抗30ohm30%；單線路延遲26ns； PCB板內(nèi)走線控制差分阻抗90ohm，延遲可達4ns（長度約20inch以上）；45USB 電氣規(guī)范 信號的上升時間/下降時間 FS/LS Tr/Tf (10%90%)時間：420ns 1.3VVCRS300K; FS/LS HUB&HOST下行端口的D+或D-電容150pf； FS Device上行端口D+或D-電容：可分

28、離cable100pF; 集成cable75pF; LS Device D+或D-電容(集成Cable)450pF; FS的D+或D-線上加鐵氧體bead is discouraged ；55USB 電氣規(guī)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-對地CAP10pF; 差分CAP5pF; HS的D+或D-線上加鐵氧體 bead is strongly discouraged ；HS 負載等效電路56USB 電氣規(guī)范 信號電平 FS/LS電平57USB 電氣規(guī)范- HS 電平58USB 電氣規(guī)范 連接

29、和斷開信號59USB 電氣規(guī)范 HS 設備是通過檢測到信號線上出現(xiàn)雙倍的信號電壓來判斷連接斷開的； 525mVVHSDSC625mV;60USB 電氣規(guī)范 上電與連接時序t1:t1:上電電源切換時間；上電電源切換時間；t2:t2:電源穩(wěn)定到信號連接時間；電源穩(wěn)定到信號連接時間；t3:resett3:reset前的確保機電穩(wěn)定預留時間；前的確保機電穩(wěn)定預留時間；t4:t4:無活動掛起時間；無活動掛起時間；t5:Hubt5:Hub發(fā)送發(fā)送resetreset到到devicedevice的時間；的時間；t6:resett6:reset時間；時間；10ms minimum10ms minimum61U

30、SB 電氣規(guī)范 數(shù)據(jù)信號發(fā)送USB數(shù)據(jù)包采用差分信號傳輸； 低速/全速數(shù)據(jù)信號發(fā)送The start of a packet (SOP) is signaled by the The start of a packet (SOP) is signaled by the originating port by driving the D+ and D- lines originating port by driving the D+ and D- lines from the Idle state to the opposite logic level (K from the Idle stat

31、e to the opposite logic level (K state). 8bitstate). 8bit（L/FL/F）/32bit(FULL) SYNC signal /32bit(FULL) SYNC signal for a packet startfor a packet start；The SE0 state is used to signal an end-of-packet The SE0 state is used to signal an end-of-packet (EOP). EOP=2bit SE0+1 bit J state(EOP). EOP=2bit S

32、E0+1 bit J state；then ,bus then ,bus recover to Idle staterecover to Idle state；62USB 電氣規(guī)范 高速數(shù)據(jù)信號發(fā)送 SOP: 即由Idle切換到K狀態(tài)來宣告開始發(fā)送包；其“K”是SYNC電平 (NRZI 序列 KJKJKJKJ KJKJKJKJ KJKJKJKJ KJKJKJKK) 的第一個symbol; EOP:對非SOF的EOP，共8bit；其第1bit為EOP前最后一個symbol取反，其余7bit 與EOP前最后一個symbol相同,類似NRZI碼的“0111111”；對SOF的EOP, 為40bit；

33、其第1bit為EOP前最后一個symbol取反，其余bits 與EOP前最后一個symbol相同；類似NRZI碼的“01111111 11111111 11111111 11111111 11111111. ”EOP結(jié)束后，BUS恢復到Idle狀態(tài)； Idle：D+和D-為“GND”；63USB 電氣規(guī)范 復位信號發(fā)送 集線器信號通過控制端口上的持久的SE0態(tài)來實現(xiàn)對下形端口的復位。復位信號清除后，設備都將處于缺省狀態(tài)。 復位信號可在任一個集線器或主機的控制端口產(chǎn)生，該復位信號的最小持續(xù)時間為10ms。 一個設備如果見其上形端口的SE0態(tài)持續(xù)時間超過2.5us，則它就把該信號作為復位信號處理。

34、 在復位信號清除后的10ms的復位恢復時間后，集線器必須能接收所有集線器請求，設備也必須能接收一個SetAddress()請求。如果接收這些請求失敗，則設備將不能被USB系統(tǒng)軟件所識別。64USB 電氣規(guī)范 高速Hub或Device的復位協(xié)議 先確認是高速device； Hub開始發(fā)出SE0信號；視為T0點； Device檢測SE0信號 如果是從掛起狀態(tài)喚醒，則device在檢查到2.5us的reset信號后，啟動高速檢測握手進程； 如果是從全速的非掛起狀態(tài)喚醒；則device在檢查到2.5us3ms的reset信號后，啟動高速檢測握手進程； 如果是從高速的非掛起狀態(tài)喚醒；則device切換到

35、全速前，必須等待3ms3.125ms；在切換到全速后的100 s 875 s間，如果檢測到SE0信號，啟動高速檢測握手進程；65USB 電氣規(guī)范高速檢測握手進程（對低速device無效） 高速device讓D+上拉，斷開高速端接，往Bus上發(fā)送Chirp K （時間17ms，從T0計算）； Hub檢測到的Chirp K必須大于2.5us；否則會持續(xù)發(fā)SE0信號，直到reset結(jié)束； Bus結(jié)束Chirp K狀態(tài)后100us內(nèi)，Hub必須不間斷的交替發(fā)送Chirp Ks and Chirp Js信號，以保證Bus處于激活狀態(tài)而不會掛起；J或K信號時長4060us， Chirp J/K交替信號必須

36、持續(xù)到reset結(jié)束前100500us; Hub發(fā)完Chirp信號后，發(fā)送SE0信號直到reset結(jié)束；復位結(jié)束前Hub必須切換到高速狀態(tài)； Device發(fā)完chirp后，device必須接收到hub的交替Chirp K-J-K-J-K-J 信號，且每位信號的長度大于2.5us；如果檢測OK，device會在500us內(nèi)，斷開D+上拉，回復高速端接，進入高速default狀態(tài)；如果device在發(fā)完自己的chirp后1ms2.5ms后檢測Fail，device會切換到全速default狀態(tài)直到reset結(jié)束。66USB 電氣規(guī)范 掛起 所有的設備都必須能支持掛起狀態(tài)，并可從任一電平狀態(tài)進入掛起

37、態(tài)。當設備發(fā)現(xiàn)它們的上行總線上的空閑態(tài)持續(xù)時間超3.0ms時，它們便進入掛起態(tài)。當設備的所有端口上的總線不活動時間不超過10ms后，設備必須被真正的掛起，此時它僅從總線上獲得掛起電流。如果總線缺少其他的通信流量時，SOF令牌將在每（微）幀中出現(xiàn)一次，以防止全速/高速設備被掛起。當任一低速設備缺乏通信流量時，在SOF令牌出現(xiàn)的每一幀中至少有一個低速設備處于活動態(tài)，以避免它們不被掛起。 當處在掛起狀態(tài)時，設備必須繼續(xù)為它的D+(高速)或D-(低速)上的Rpu電阻提供電壓從而維持一個空閑態(tài)，這樣上行集線器才能為設備維持正確的連結(jié)狀態(tài)。67USB 電氣規(guī)范 高速設備掛起額外要求 高速device如果檢

38、測到Bus為Idle狀態(tài)大于3ms，device將在idle開始后的3.125us內(nèi)轉(zhuǎn)換到全速配置；切換到全速后的100us875us期間，device會采樣Bus狀態(tài)，如果是全速下的J狀態(tài)，device會繼續(xù)掛起； 高速device或下行端口從掛起喚醒后，必須回復到高速狀態(tài)；68USB 電氣規(guī)范掛起又可分為全局掛起和局部掛起。 全局掛起 當在總線的任何地方?jīng)]有通信需要時，就要用到全局掛起，此時所有總線都處在掛起狀態(tài)。主機通過中止它所有的傳送(包括SOF令牌)來發(fā)送開始全局掛起信號。當總上的每個設備識別總線的空閑態(tài)持續(xù)適當時間時，它將進入掛起狀態(tài)。 局部掛起 可以通過向集線器端口發(fā)送SetPo

39、rtFeature(PORT-SUSPEND)來使與其相連的總線部分被掛起，此時處于那部分的設備經(jīng)過上面所說的適當時延后進入掛起狀態(tài)。69USB 電氣規(guī)范 喚醒 處在掛起狀態(tài)的設備，當它的上行端口接收到任一非空閑信號時，它的操作將被喚醒。特別地，如果設備的遠程喚醒功能被USB系統(tǒng)軟件開啟時，它也可以發(fā)信號給系統(tǒng)來完成喚醒操作。喚醒信號由主機或設備使用，以使一個掛起的總線段回到活動態(tài)。集線器在喚醒信號的生成和傳播中起了十分重要的作用。設備喚醒時總有一個先后次序，我們將在后面詳細介紹。 USB系統(tǒng)軟件必須提供10ms的喚醒恢復時間，在這段時間內(nèi)，它將不對與被喚醒的部分總線相連的任一設備進行操作。

40、端口的中斷與連接也可以使集線器發(fā)送一個復位信號，從而喚醒系統(tǒng)，但僅當集線器具有遠程喚醒使能時，這些事件才能引起集線器發(fā)送喚醒信號。70USB 電氣規(guī)范 數(shù)據(jù)的編碼與解碼在包傳送時，USB使用一種NRZI(None Return Zero Invert，即無回零反向碼)編碼方案。在該編碼方案中，“1”表示電平不變，“0”表示電平改變。圖8列出了一個數(shù)據(jù)流及其它的NRII編碼，在該圖的第二個波形圖中，一開始的高電平表示數(shù)據(jù)線上的J態(tài)，后面就是NRZI編碼。NRZI數(shù)據(jù)編碼71USB 電氣規(guī)范位插入為了確集信號發(fā)送的準確性，當在USB上發(fā)送一個包時，傳送設備就要進行位插入操作。所謂位插入操作是指在數(shù)

41、據(jù)被編碼前，在數(shù)據(jù)流中每六個連續(xù)的1后插入一個0，從而強迫NRZI碼發(fā)生變化，如圖所示。 位插入數(shù)據(jù)編碼序列數(shù)據(jù)編碼序列 原始數(shù)據(jù) 位插入數(shù)據(jù) 同步塊 數(shù)據(jù)包NRZI編碼后的數(shù)據(jù)位插入72USB 電氣規(guī)范位插入操作從同步格式(如圖10所示)開始，貫穿于整個傳送過程，在同步格式端的數(shù)據(jù)1作為真正數(shù)據(jù)流的第一位。位插入操作是由傳送端強制執(zhí)行的，是沒有例外的。如果嚴格遵守位插入規(guī)則，甚至在EOP信號結(jié)束前也要插入一位0位。 同步格式NRZI數(shù)據(jù)編碼同步格式空閑73USB 電氣規(guī)范接收端必須能對NRZI數(shù)據(jù)進行解碼，識別插入位并去掉它們。如果接收端發(fā)現(xiàn)包中任一處有七個連續(xù)的“1”，則將會產(chǎn)生一個位插入

42、錯誤，該數(shù)據(jù)包將被忽略。 關于位的插入有一個特例，那就是剛好在EOP前的時間間隔，EOP前的最后一個數(shù)據(jù)位可能被集線器的轉(zhuǎn)換偏移而拉長，這種情況如圖11所示。 傳送的數(shù)據(jù)接收的特別位，沒有錯 從傳送器來的數(shù)據(jù) 接收端數(shù)據(jù)對對EOP前的特別位的說明前的特別位的說明74USB 電氣規(guī)范 同步pattern 全速/低速：KJKJKJKK;共8bits； 高速：15個KJ對+2個KK；32bits；每個Hub允許丟4bit；經(jīng)過5級Hub后，最少可能只有12bits；75USB 電氣規(guī)范 數(shù)據(jù)信號的發(fā)送速率高速數(shù)據(jù)發(fā)送率通常為480.000Mb/s，主機，集線器和高速設備的數(shù)據(jù)率誤差為0.05%(50

43、0ppm)。對支持高速USB的主機，集線器和設備，工作在任何速率下數(shù)據(jù)率誤差為0.05%(500ppm)。全速數(shù)據(jù)發(fā)送率通常為12.000Mb/s，主機，集線器和高速設備的數(shù)據(jù)率誤差為0.25%(2500ppm)。集線器控制器的數(shù)據(jù)率應該準確地知道，其誤差最好控制在0.05%(500ppm)內(nèi)。 低速數(shù)據(jù)發(fā)送率為1.50Mb/s，低速功能設備所允許的誤差為1.5%(15000ppm)。 以上所述的誤差，主要由下面的幾種情況所引起: 初始頻率精度； crystal負載電容量的影響 振蕩器上電壓供應的穩(wěn)定性影響 溫度的影響 器件的老化76USB 電氣規(guī)范 幀與幀間隔（ Frame Interval

44、 ） 在低速、全速模式下，主機每間隔1ms(這個1ms稱為一幀，允許誤差0.005ms)發(fā)送一個幀開始令牌包SOF(Start of Frame)。包含SOF標記、幀序列號及CRC5校驗碼 。 在高速模式下，主機每間隔1/8ms（即為一微幀，允許誤差0.0625 s）發(fā)送一個幀開始令牌包SOF。 相鄰幀間隔時間差0.5bit time(full speed); 相鄰微幀間隔時間差4bits time(high speed);77USB 電氣規(guī)范 數(shù)據(jù)源的抖動 在數(shù)據(jù)發(fā)送的邊緣時間內(nèi)，數(shù)據(jù)源可能發(fā)生一些變化(即抖動)。處在任何數(shù)據(jù)變化集間的時間為N*Tperiod抖動時間，其中N為發(fā)生變化的位數(shù)

45、，Tperiod為具有一定范圍的數(shù)據(jù)率的實際時間段。數(shù)據(jù)抖動的測量與計算最大上升沿和下降沿時所用的負載相同，并且它們在數(shù)據(jù)線的交叉點處進行測量，如圖12。 對高速傳送，Jitter需要滿足眼圖要求； 對于全速傳送，任何連續(xù)的差分數(shù)據(jù)變化的抖動時間為必須在2.0ns內(nèi)，對于任何一個成對出現(xiàn)的差分數(shù)據(jù)變化(Jk到下一個Jk的變化或kJ到下一個kJ的變化)的抖動時間必須在1.0ns內(nèi)。 對于低速傳送，任何連續(xù)的差分數(shù)據(jù)變化的抖動時間必須在25ns內(nèi)，而任一成對出現(xiàn)差分數(shù)據(jù)變化的抖動時間必須在10ns內(nèi)。 這些抖動的現(xiàn)象包括時間的變化，主要歸咎于差分緩沖器的延遲和上升沿及下降沿時間的不匹配，內(nèi)部時鐘抖

46、動，噪聲及其他隨機因素的影響。78USB 電氣規(guī)范 差分數(shù)據(jù)線 抖動數(shù)據(jù)抖動分類連續(xù)變化成對的變化Tperiod的整數(shù)多元化橋接點79USB 電氣規(guī)范 接收端數(shù)據(jù)的抖動 當抖動存在時，任何設備類型的數(shù)據(jù)接收必須能正確地對差分數(shù)據(jù)進行解碼。這種情況的抖動可能是由上面所說的時延不匹配所引起，也可能是由源端和目標端數(shù)據(jù)速率的不匹配所引起。在特定的應用中，只要抖動條件滿足，輸出驅(qū)動器的抖動可能對設備時鐘的精確性產(chǎn)生影響。 詳細的全速/低速接收端Jitter 預算請參考USB spec 2.0 Table 7-4和7-5; 高速接收端在BER=82ns; 低速SE0時間應=670ns; 高速EOP81U

47、SB 電氣規(guī)范 電纜的延遲 USB中傳送信號的電纜所允許的時延為26ns，對于一個標準的USB可分電纜，其時延由從串行A口連接器端到串行B口連結(jié)端計算而得，并且其值小于26ns；而對于其它電纜，其時延由從串行A口連結(jié)器端到該電纜所連設備端計算而得。 電纜延遲必須5.2ns/米；即標準USB 2.0 電纜最大可以支持到5M以上； 低速USB cable 延遲必須18ns； 電纜的信號衰減 對于進行高速信號發(fā)送的每根電纜而言，信號對(D+，D-)所允許的最大衰減量右表所示。信號時延信號時延Cable允許的最大衰減82USB 電氣規(guī)范 USB最大端到端信號延遲 全速/低速：Host等待響應的最大時間

48、為18 bits time； 高速：721bits time；83 USB 測試模式 順應性測試需要：高速的USB Hub，Host和的Device才必須支持USB Test Mode；USB全速和低速沒有test mode； USB test mode下的端口會反復發(fā)送如下數(shù)據(jù)，SI眼圖測測試即可完成；84USB 電氣規(guī)范 電源分布 所有USB設備的缺省電壓為低電壓，當設備要從低電壓變化到高電壓時，則是由軟件來控制的。在允許設備達到高電壓之前，軟件必須保證有足夠的電壓可供使用 USB支持一定范圍的電壓來源和電壓消耗供應者，包括如下的部分。根端口集線器：它是直接與USB主機控制器相連的，并與其

49、相同的電源來源。從外部獲得操作電壓(AC或DC)的系統(tǒng)，在每個端口至少支持五個單位負載，這些端口稱為高電壓端口。由電池組提供電壓的系統(tǒng)可以支持一個或五個單位負載。哪些只能支持一個單位負載的端口稱為低電壓端口。從總線獲得電壓的集線器：它的所有內(nèi)部功能設備和下形端口都從它的上形端口的Vbus上獲得電壓。在電壓升高時，它可以接一個單位負載，經(jīng)過初始設置后，它可以接五個單位負載。初始設置電壓被分配給了集線器，任一固定功能設備和外部端口。它的外部端口只能接一個單位負載，當集線器處于活動或掛起態(tài)時，它必須為這個端口提供電流。該種集線器如圖所示。注：一個單位負載為100mA？85USB 電氣規(guī)范上行數(shù)據(jù)端口

50、上行Vbus可接五個單位負載下行數(shù)據(jù)端口 集線器控制器調(diào)節(jié)器不可移動功能設備一個單位負載一個單位負載/端口下行Vbus總線提供電壓的集線器86USB 電氣規(guī)范 自給電壓集線器：如圖所示，它的任一內(nèi)部功能設備和下形端口不再從Vbus上獲得電壓，但當它的其余部分電壓下降時，它的USB接口可接一個單位負載并從Vbus處獲得電壓，以允許該接口能工作。從外部(從USB)獲得操作電壓的集線器，可在每個端口接五個單位負載。由電池組提供電壓的集線器，每端口可接一個或五個單位負載。 Host和自供電Hub必須有OCP，OCP值要=4.75V;90USB 電氣規(guī)范 掛起與喚醒期間的電源控制低電壓設備或高電壓設備工

51、作于低電壓下時，它們所允許的掛起電流限制為500uA，如果一個設備被初始設置為高電壓并且具有遠程喚醒功能，則在掛起期間，它的電流可達到2.5mA.在掛起狀態(tài)下允許間隔1s以上的，電流達到100mA(或500mA)的瞬間脈沖電流；脈沖電流100mA/uS; 當一個集線器處在掛起狀態(tài)時，它必須仍能為每個端口提供最大電流值。對于具有遠程喚功能的設備，當它的電壓在升高而系統(tǒng)的其余部分仍處于掛起態(tài)時，上面的要求是十分必要的。 當設備被喚醒時(遠程喚醒或由喚醒信號喚醒)，它們此時必須能限制Vbus上的inrush電流，集線器內(nèi)Vbus所允許的最大電壓落差為330mV。設備必須有足夠的bypass電容器或要

52、有一個可控制的上電時序，以便當設備正在被喚醒的任一時間內(nèi)，從集線器輸入的電流不能超過端口的最大電流允許值。91USB 電氣規(guī)范 設備的動態(tài)加載與卸載插入或撥掉一個集線器或其它功能設備時，不應影響網(wǎng)絡中其余設備的正常工作為前提。卸載掉一個功能設備將中止設備與主機間的通信，此時集線器向主機警告該端口已被中斷。動態(tài)加載某設備可能會產(chǎn)生強電流，因而會使HUB上的其他端口的Vbus低于它的最小工作電壓，因此必須引用一些限流裝置。Hub內(nèi) Vbus允許的最大跌落電壓為330mV; 下行端口允許的最大負載為10uF+44;每個Hub的下行端口電源線必須帶有大于120uF的low ESR 的Bypass電容；

53、 在動態(tài)加載期間，通過使連結(jié)器上的信號端口處于空閑，以使其免受強電流的破壞，這樣為了使電壓端口首先進行聯(lián)系。這就保證，在信號端口連接前，分布在下行設備上的電壓是可用的。另外，在連接期間，信號線均處于高阻抗狀態(tài)，因此標準信號線上此時沒有電流。92USB 電氣規(guī)范 設備從網(wǎng)絡中卸去時，電纜的電感系統(tǒng)將在設備電纜的開口端產(chǎn)生一個很大的回流電壓，它是沒有破壞性的。但在電纜設備的末端必須有一些小容量的電容器（大于1uF），以保證產(chǎn)生的回流電壓不會引起設備端電壓極性的改變。但回流電壓會產(chǎn)生噪音，通常利用分流電容器進行適當分流以減少噪音，分流電容器對回流電壓及其產(chǎn)生的噪聲進行緩和。93USB 電氣規(guī)范 電氣

54、特性詳細要求參考USB2.0協(xié)議Page 206 Table 7-7. DC Electrical Characteristics；94USB2.0 協(xié)議 USB 體系簡介 USB 數(shù)據(jù)流模型 USB 物理規(guī)范 USB 電氣規(guī)范USB 協(xié)議層規(guī)范 USB 設備架構(gòu)； USB 主機：硬件和軟件 USB HUB 規(guī)范95USB 協(xié)議層規(guī)范 USB 采用 little edian字節(jié)順序，在總線上先傳輸一個字節(jié)的最低有效位，最后傳輸最高有效位，采用NRZI編碼，若遇到連續(xù)的 6個 1 要求進行人為填充，即插入一個 0（詳見NRZI編碼.pdf）。 96USB 協(xié)議層規(guī)范 所有的 USB 包都由 SY

55、NC 開始，高速包的 SYNC 寬度為 32bit（31bits“0”+1bit“1”），全速/低速包的 SYNC段度為 8bit（0000，0001）。實際接收到的 SYNC長度由于USB HUB 的關系，可能會小于該值。 USB 數(shù)據(jù)包的格式 97USB 協(xié)議層規(guī)范 PID 表征了數(shù)據(jù)包的類型，分為令牌（Token）、數(shù)據(jù)（Data）、握手（Handshacke）以及特殊包 4大類，共 16種類型的PID。98USB 協(xié)議層規(guī)范99USB 協(xié)議層規(guī)范 對于令牌包來說，PID之后是 7位的地址和 4位的端點號。令牌包沒有數(shù)據(jù)域，以 5 位的 CRC 校驗和結(jié)束。SOF是一類特殊的令牌包，PI

56、D 后跟的是11 位的幀編號。 對于數(shù)據(jù)包來說，PID 之后直接跟數(shù)據(jù)域，數(shù)據(jù)域的長度為N字節(jié)，數(shù)據(jù)域后以 16 位的 CRC 校驗和結(jié)束; 握手包僅有PID 域，沒有數(shù)據(jù)也沒有校驗和。 分離傳輸會用到一類特殊的包，Start-Split和 Complete-Split包，格式如下： 在Start-Split和Complete-Split包中主要指定了此次分離傳輸所在的HUB的地址和下行端口編號以及端點類型（控制、中斷、批量、同步）。以及此次傳輸中數(shù)據(jù)包在整個數(shù)據(jù)中的位置（第一個包、中間的包、末尾的包）。100USB 協(xié)議層規(guī)范 數(shù)據(jù)在 USB總線上的傳輸以包為單位，包只能在幀內(nèi)傳輸。高速US

57、B 總線的幀周期為125uS，全速以及低速 USB 總線的幀周期為 1mS。幀的起始由一個特定的包（SOF 包）表示，幀尾為 EOF。EOF不是一個包，而是一種電平狀態(tài)，EOF期間不允許有數(shù)據(jù)傳輸。 注意：雖然高速 USB總線和全速/低速 USB總線的幀周期不一樣，當時 SOF包中幀編號的增加速度是一樣的，因為在高速 USB系統(tǒng)中，SOF包中幀編號實際上取得是計數(shù)器的高 11位，最低三位作為微幀編號沒有使用，因此其幀編號的增加周期也為 1mS。 101USB 協(xié)議層規(guī)范 1. 批量事務傳輸102USB 協(xié)議層規(guī)范 批量傳輸是可靠的傳輸，需要握手包來表明傳輸?shù)慕Y(jié)果。若數(shù)據(jù)量比較大，將采用多次批量

58、事務傳輸來完成全部數(shù)據(jù)的傳輸，傳輸過程中數(shù)據(jù)包的PID 按照 DATA0-DATA1-DATA0-的方式翻轉(zhuǎn)，以保證發(fā)送端和接收端的同步。 USB 允許連續(xù) 3次以下的傳輸錯誤，會重試該傳輸，若成功則將錯誤次數(shù)計數(shù)器清零，否則累加該計數(shù)器。超過三次后，HOST 認為該端點功能錯誤（STALL），放棄該端點的傳輸任務。 一次批量傳輸（Transfer）由 1 次到多次批量事務傳輸（Transaction）組成。 翻轉(zhuǎn)同步：發(fā)送端按照 DATA0-DATA1-DATA0-的順序發(fā)送數(shù)據(jù)包，只有成功的事務傳輸才會導致 PID 翻轉(zhuǎn)，也就是說發(fā)送段只有在接收到 ACK 后才會翻轉(zhuǎn) PID，發(fā)送下一個數(shù)

59、據(jù)包，否則會重試本次事務傳輸。同樣，若在接收端發(fā)現(xiàn)接收到到的數(shù)據(jù)包不是按照此順序翻轉(zhuǎn)的，比如連續(xù)收到兩個 DATA0，那么接收端認為第二個 DATA0 是前一個 DATA0 的重傳。103USB 協(xié)議層規(guī)范2. 控制傳輸（Transaction） 一次控制傳輸分為三（或兩個）個階段：建立（Setup）、數(shù)據(jù)（DATA）（可能沒有）以及狀態(tài)（Status）。每個階段都由一次或多次（數(shù)據(jù)階段）事務傳輸組成（Transaction） 右圖為建立階段的事務傳輸流程圖?？梢钥闯觯号c批量傳輸相比，在流程上并沒有多大區(qū)別，區(qū)別只在于該事務傳輸發(fā)生的端點不一樣、支持的最大包長度不一樣、優(yōu)先級不一樣等這樣一些對

60、用戶來說透明的東西。104USB 協(xié)議層規(guī)范 建立階段過后，可能會有數(shù)據(jù)階段，這個階段將會通過一次或多次控制傳輸事務，完成數(shù)據(jù)的傳輸。同樣也會采用PID翻轉(zhuǎn)的機制。建立階段，Device只能返回 ACK包，或者不返回任何包。 最后是狀態(tài)階段，通過一次方向與前一次相反的控制事務傳輸來表明傳輸?shù)某晒εc否。如果成功會返回一個長度為 0 的數(shù)據(jù)包，否則返回 NAK或 STALL。下圖為整個控制傳輸?shù)氖疽鈭D：105USB 協(xié)議層規(guī)范3.中斷傳輸 中斷傳輸在流程上除不支持PING 之外，其他的跟批量傳輸是一樣的。他們之間的區(qū)別也僅在于事務傳輸發(fā)生的端點不一樣、支持的最大包長度不一樣、優(yōu)先級不一樣等這樣一些對用戶來說透明的