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(mǎn)足現(xiàn)有系統(tǒng)或者設(shè)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(xiàn)協(xié)議)概念，并在隨后的幾年內(nèi)不斷的對(duì)USB協(xié)議進(jìn)行改進(jìn)，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(jiǎn)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(shè)備架構(gòu)； USB 主機(jī)：硬件和軟件 USB HUB 規(guī)范4USB 體系簡(jiǎn)介 USB 是一種支持熱插拔的高速串行傳輸總線(xiàn)，使用差分信號(hào)來(lái)傳輸數(shù)據(jù)，最高速度可達(dá) 480Mb/S。 USB 支持“總線(xiàn)供電”和“自供電”兩種供電模式。在總線(xiàn)供電模式下，USB2.0設(shè)備最多可以獲得500mA的電流； USB2.0 被設(shè)計(jì)成為向下兼容的模式，當(dāng)有全速 （USB 1.1）或者低速（USB 1.0）設(shè)備連接到高速（USB 2.0）主機(jī)時(shí)，主機(jī)可以通過(guò)分離傳輸來(lái)支持它們。 一條 USB 總線(xiàn)上，可達(dá)到的最高傳輸速度等級(jí)由該總線(xiàn)上最慢的“設(shè)備”決定，該設(shè)備包括主機(jī)、HUB以及USB功能設(shè)備。5USB

3、體系簡(jiǎn)介 USB 體系包括“主機(jī)”、“設(shè)備”以及“物理連接”三個(gè)部分。 主機(jī)是一個(gè)提供USB接口及接口管理能力的硬件、軟件及固件的復(fù)合體，可以是PC，也可以是OTG設(shè)備。一個(gè)USB 系統(tǒng)中僅有一個(gè)USB主機(jī)； 設(shè)備包括 USB功能設(shè)備和 USB HUB，最多支持 127個(gè)設(shè)備； 物理連接即指的是USB 的傳輸線(xiàn)。 在USB 2.0系統(tǒng)中，要求使用屏蔽的雙絞線(xiàn)。 USB 體系采用分層的星型拓?fù)鋪?lái)連接所有USB設(shè)備6USB 體系簡(jiǎn)介 以 HOST-ROOT HUB為起點(diǎn)，最多支持 7 層（Tier），也就是說(shuō)任何一個(gè)USB 系統(tǒng)中最多可以允許 5個(gè) USB HUB 級(jí)聯(lián)。一個(gè)復(fù)合設(shè)備（Compou

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

5、USB 體系簡(jiǎn)介8USB 體系簡(jiǎn)介 USB USB 采用輪詢(xún)的廣播機(jī)制傳輸數(shù)據(jù) 所有的傳輸都由主機(jī)發(fā)起，任何時(shí)刻整個(gè)USB體系內(nèi)僅允許一個(gè)數(shù)據(jù)包的傳輸，即不同物理傳輸線(xiàn)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(jī)制 在令牌包中指定數(shù)據(jù)包去向或者來(lái)源的設(shè)備地址和端點(diǎn)（Endpoint），從而保證了只有一個(gè)設(shè)備對(duì)被廣播的數(shù)據(jù)包/令牌包作出響應(yīng)。 握手包表示了傳輸?shù)某晒εc否。 數(shù)據(jù)包：USB 總線(xiàn)上數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖钚挝唬?SYNC、數(shù)據(jù)及 EOP 三個(gè)部分。其中數(shù)據(jù)的格式針對(duì)不同的包有不同的格式。但都以 8 位的 PID 開(kāi)始。PI

6、D 指定了數(shù)據(jù)包的類(lèi)型（共 16種）。令牌包即指 PID 為 IN/OUT/SETUP的包。 端點(diǎn)（Endpoint）：是 USB 設(shè)備中的可以進(jìn)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(shè)備支持端點(diǎn)的數(shù)量是有限制的，除默認(rèn)端點(diǎn)外低速設(shè)備最多支持 2 組端點(diǎn)（2 個(gè)輸入，2 個(gè)輸出），高速和全速設(shè)備最多支持 15 組端點(diǎn)。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(jiǎn)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(jiǎn)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(jiǎn)介USB 體系簡(jiǎn)介 管道（Pipe）管道是主機(jī)和設(shè)備端點(diǎn)之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪Ｐ停灿袃煞N類(lèi)型的管道； 無(wú)格式的流管道（Stream Pipe） 有格式的信息管道Message Pipe）。任何USB設(shè)備一旦上電就存在一個(gè)信息管道

8、，即默認(rèn)的控制管道，USB 主機(jī)通過(guò)該管道來(lái)獲取設(shè)備的描述、配置、狀態(tài)，并對(duì)設(shè)備進(jìn)行配置。 USB 設(shè)備連接到 HOST 時(shí)，HOST必須通過(guò)默認(rèn)的控制管道對(duì)其進(jìn)行枚舉，完成獲得其設(shè)備描述、進(jìn)行地址分配、獲得其配置描述、進(jìn)行配置等操作方可正常使用。USB 設(shè)備的即插即用特性即依賴(lài)于此。13USB 體系簡(jiǎn)介 USB 體系四種傳輸類(lèi)型的 控制傳輸：主要用于在設(shè)備連接時(shí)對(duì)設(shè)備進(jìn)行枚舉以及其他因設(shè)備而異的特定操作。 中斷傳輸：用于對(duì)延遲要求嚴(yán)格、小量數(shù)據(jù)的可靠傳輸，如鍵盤(pán)、游戲手柄等。 批量傳輸：用于對(duì)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(pán)等。 同步傳輸：用于對(duì)可靠性要求不高的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸

9、，如攝像頭、USB 音響等。不同的傳輸類(lèi)型在物理上并沒(méi)有太大的區(qū)別，只是在傳輸機(jī)制、主機(jī)安排傳輸任務(wù)、可占用USB 帶寬的限制以及最大包長(zhǎng)度有一定的差異。 14USB 體系簡(jiǎn)介 USB 設(shè)備通過(guò)管道和HOST 通信，在默認(rèn)控制管道上接受并處理以下三種類(lèi)型的請(qǐng)求： 標(biāo)準(zhǔn)請(qǐng)求：一共有11 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)請(qǐng)求，如得到設(shè)備描述、設(shè)置地址、得到配置描述等。所有USB 設(shè)備均應(yīng)支持這些請(qǐng)求。HOST 通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)請(qǐng)求來(lái)識(shí)別和配置設(shè)備。 類(lèi)（class）請(qǐng)求：USB 還定義了若干個(gè)子類(lèi)，如HUB 類(lèi)、大容量存儲(chǔ)器類(lèi)等。不同的類(lèi)又定義了若干類(lèi)請(qǐng)求，該類(lèi)設(shè)備應(yīng)該支持這些類(lèi)請(qǐng)求。設(shè)備所屬類(lèi)在設(shè)備描述符中可以得到。 廠(chǎng)商請(qǐng)求：

10、這部分請(qǐng)求并不是 USB 規(guī)范定義的，而是設(shè)備生產(chǎn)商為了實(shí)現(xiàn)一定的功能而自己定義的請(qǐng)求。15USB 體系簡(jiǎn)介 USB 接口擴(kuò)展 USB HUB提供了一種低成本、低復(fù)雜度的USB 接口擴(kuò)展方法。HUB的上行PORT 面向 HOST，下行 PORT 面向設(shè)備（HUB 或功能設(shè)備）。在下行 PORT 上，HUB 提供了設(shè)備連接檢測(cè)和設(shè)備移除檢測(cè)的能力，并給各下行PORT供電。 HUB可以單獨(dú)使能各下行PORT，不同PORT 可以工作不同的速度等級(jí)（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(gè)協(xié)議控制的開(kāi)關(guān)，它負(fù)責(zé)高速數(shù)據(jù)包的重生與分發(fā); HUB 控制器負(fù)責(zé)和 HOST的通信，HOST通過(guò) HUB 類(lèi)請(qǐng)求和 HUB 控制器通訊，獲得關(guān)于 HUB 本身和下行 PORT 的 HUB 描述符，進(jìn)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(guò) HUB 可以在高速 HOST 和全速/低速設(shè)備之間進(jìn)行匹配。 HUB 在硬件上支持 Reset、Resume、Suspend。16USB 體系簡(jiǎn)介 USB HOST 在USB體系中負(fù)責(zé)設(shè)備連接/

12、移除的檢測(cè)、HOST 和設(shè)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(xiàn)電源的供給。 17USB2.0 協(xié)議 USB 體系簡(jiǎn)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(shè)備架構(gòu)； USB 主機(jī)：硬件和軟件 USB HUB 規(guī)范18USB 數(shù)據(jù)流模型 USB 體系在實(shí)現(xiàn)時(shí)采用分層的結(jié)構(gòu)19USB 數(shù)據(jù)流模型 在 HSOT端，應(yīng)用軟件（Client SW）不能直接訪(fǎng)問(wèn) USB 總線(xiàn)，而必須通過(guò)USB系統(tǒng)軟件和USB主機(jī)控制器來(lái)訪(fǎng)問(wèn) USB 總線(xiàn)，在 USB總線(xiàn)上和USB 設(shè)備進(jìn)行通訊。 從邏輯上可以分為功能層、設(shè)備層和總線(xiàn)接口層三個(gè)層次。 功能層完成功

13、能級(jí)的描述、定義和行為； 設(shè)備級(jí)則完成從功能級(jí)到傳輸級(jí)的轉(zhuǎn)換，把一次功能級(jí)的行為轉(zhuǎn)換為一次一次的基本傳輸； USB 總線(xiàn)接口層則處理總線(xiàn)上的Bit流，完成數(shù)據(jù)傳輸?shù)奈锢韺訉?shí)現(xiàn)和總線(xiàn)管理。途中黑色箭頭代表真實(shí)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(shè)備通過(guò)分層的星型總線(xiàn)連接到 HOST，但在邏輯上HUB是透明的，各USB 設(shè)備和HOST直接連接，和 HOST上的應(yīng)用軟件形成一對(duì)一的關(guān)系。如下圖所示： 各應(yīng)用軟件-功能設(shè)備對(duì)之間的通訊相互獨(dú)立，應(yīng)用軟件通過(guò)USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序(USBD)發(fā)起 IRQ 請(qǐng)求，請(qǐng)求數(shù)據(jù)傳輸。 主機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)程序（HCD）接收 IRQ

14、請(qǐng)求，并解析成為 USB傳輸和傳輸事務(wù)（Transaction），并對(duì) USB 系統(tǒng)中的所有傳輸事務(wù)進(jìn)行任務(wù)排定 （因?yàn)榭赡芡瑫r(shí)有多個(gè)應(yīng)用軟件發(fā)起 IRQ 請(qǐng)求）。 主機(jī)控制器（Host Controller）執(zhí)行排定的傳輸任務(wù)，在同一條共享的 USB 總線(xiàn)上進(jìn)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(diǎn)、管道和接口的關(guān)系。 USB 系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的傳輸，宏觀(guān)的看來(lái)是在HOST 和 USB 功能設(shè)備之間進(jìn)行；微觀(guān)的看是在應(yīng)用軟件的 Buffer 和 USB 功能設(shè)備的端點(diǎn)之間進(jìn)行。一般來(lái)說(shuō)端點(diǎn)都有 Buffer，可以認(rèn)為USB通訊就是應(yīng)用軟件Buffer和設(shè)備端點(diǎn)Buffer之

15、間的數(shù)據(jù)交換，交換的通道稱(chēng)為管道。 應(yīng)用軟件通過(guò)和設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換來(lái)完成設(shè)備的控制和數(shù)據(jù)傳輸。通常需要多個(gè)管道來(lái)完成數(shù)據(jù)交換，因?yàn)橥还艿乐恢С忠环N類(lèi)型的數(shù)據(jù)傳輸。 用在一起來(lái)對(duì)設(shè)備進(jìn)行控制的若干管道稱(chēng)為設(shè)備的接口; 一個(gè) USB 設(shè)備可以包括若干個(gè)端點(diǎn)，不同的端點(diǎn)以端點(diǎn)編號(hào)和方向區(qū)分。不同端點(diǎn)可以支持不同的傳輸類(lèi)型、訪(fǎng)問(wèn)間隔以及最大數(shù)據(jù)包大小。除端點(diǎn) 0外，所有的端點(diǎn)只支持一個(gè)方向的數(shù)據(jù)傳輸。端點(diǎn) 0是一個(gè)特殊的端點(diǎn)，它支持雙向的控制傳輸。管道和端點(diǎn)關(guān)聯(lián)，和關(guān)聯(lián)的端點(diǎn)有相同的屬性，如支持的傳輸類(lèi)型、最大包長(zhǎng)度、傳輸方向等。22USB 數(shù)據(jù)流模型 四種傳輸類(lèi)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(gè)階段。 第一階段為從HOST到Device的SETUP事務(wù)傳輸，這個(gè)階段指定了此次控制傳輸?shù)恼?qǐng)求類(lèi)型； 第二階段為數(shù)據(jù)階段，也有些請(qǐng)求沒(méi)有數(shù)據(jù)階段； 第三階段為狀態(tài)階段，通過(guò)一次IN/OUT 傳輸表明請(qǐng)求是否成功完成。 控制傳輸通過(guò)控制管道在應(yīng)用軟件和 Device 的控制端點(diǎn)之間進(jìn)行，控制傳輸過(guò)程中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是有格式定義的，USB 設(shè)備或主機(jī)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(lèi)型都沒(méi)有格式定義。 控制傳輸對(duì)于最大包長(zhǎng)度有固定的要求。對(duì)于高速設(shè)備該值為 64Byte；對(duì)于低速設(shè)備該值為 8；全速設(shè)備可以是 8或 1

17、6或 32或 64。 高速端點(diǎn)的控制傳輸不能占用超過(guò) 20%的微幀，全速和低速的則不能超過(guò) 10%的幀。 在一幀內(nèi)如果有多余的未用時(shí)間，并且沒(méi)有同步和中斷傳輸，可以用來(lái)進(jìn)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(xún)的傳輸方式，是一種單向 的傳輸，HOST通過(guò)固定的間隔對(duì)中斷端點(diǎn)進(jìn)行查詢(xún)，若有數(shù)據(jù)傳輸或可以接收數(shù)據(jù)則返回?cái)?shù)據(jù)或發(fā)送數(shù)據(jù)，否則返回NAK，表示尚未準(zhǔn)備好。 中斷傳輸?shù)难舆t有保證，但并非實(shí)時(shí)傳輸，它是一種延遲有限的可靠傳輸，支持錯(cuò)誤重傳。 對(duì)于高速/全速/低速端點(diǎn)，最大包長(zhǎng)度分別可以達(dá)到1024/64/8 Bytes。 高速中斷傳輸不得占用超過(guò) 80%的微幀時(shí)間

18、，全速和低速不得超過(guò) 90%。 中斷端點(diǎn)的輪詢(xún)間隔由在端點(diǎn)描述符中定義，全速端點(diǎn)的輪詢(xún)間隔可以是 1255mS，低速端點(diǎn)為 10255mS，高速端點(diǎn)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(diǎn)外，一個(gè)微幀內(nèi)僅允許一次中斷事務(wù)傳輸，高速高帶寬端點(diǎn)最多可以在一個(gè)微幀內(nèi)進(jìn)行三次中斷事務(wù)傳輸，傳輸高達(dá) 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(méi)有保證，它盡量利用可以利用的帶寬來(lái)完成傳輸，適合數(shù)據(jù)量比較大的傳輸。 低速 USB 設(shè)備不支持批量傳輸，高速批量端點(diǎn)的最大包長(zhǎng)度為 51

19、2，全速批量端點(diǎn)的最大包長(zhǎng)度可以為 8、16、32、64。 批量傳輸在訪(fǎng)問(wèn) USB 總線(xiàn)時(shí)，相對(duì)其他傳輸類(lèi)型具有最低的優(yōu)先級(jí)，USB HOST 總是優(yōu)先安排其他類(lèi)型的傳輸，當(dāng)總線(xiàn)帶寬有富余時(shí)才安排批量傳輸。 高速的批量端點(diǎn)必須支持PING 操作，向主機(jī)報(bào)告端點(diǎn)的狀態(tài)，NYET 表示否定應(yīng)答，沒(méi)有準(zhǔn)備好接收下一個(gè)數(shù)據(jù)包，ACK 表示肯定應(yīng)答，已經(jīng)準(zhǔn)備好接收下一個(gè)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(shí)時(shí)的、不可靠的傳輸，不支持錯(cuò)誤重發(fā)機(jī)制。只有高速和全速端點(diǎn)支持同步傳輸，高速同步端點(diǎn)的最大包長(zhǎng)度為 1024，全速的為 1023。 除高速高帶寬同步端點(diǎn)外，一個(gè)微幀內(nèi)僅允許

20、一次同步事務(wù)傳輸，高速高帶寬端點(diǎn)最多可以在一個(gè)微幀內(nèi)進(jìn)行三次同步事務(wù)傳輸，傳輸高達(dá) 3072 字節(jié)的數(shù)據(jù)。 全速同步傳輸不得占用超過(guò) 80%的幀時(shí)間，高速同步傳輸不得占用超過(guò) 90%的微幀時(shí)間。 同步端點(diǎn)的訪(fǎng)問(wèn)也和中斷端點(diǎn)一樣，有固定的時(shí)間間隔限制。 在主機(jī)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(jī)控制器和 HUB之間執(zhí)行，通過(guò)分離傳輸，可以允許全速/低速設(shè)備連接到高速主機(jī)。分離傳輸對(duì)于USB 設(shè)備來(lái)說(shuō)是透明的、不可見(jiàn)的。26USB2.0 協(xié)議 USB 體系簡(jiǎn)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(shè)備架構(gòu)； USB 主機(jī)：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(xiàn)顏色信號(hào)名稱(chēng)引腳編號(hào)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(jī)廠(chǎng)商已宣布統(tǒng)一使用協(xié)議范圍；目前多數(shù)手機(jī)廠(chǎng)商已宣布統(tǒng)一使用 Micro USBMicro USB接口作為手機(jī)

22、充電器標(biāo)準(zhǔn)接口。接口作為手機(jī)充電器標(biāo)準(zhǔn)接口。29USB物理規(guī)范 USB連接器支持熱拔插； 高速/全速USB線(xiàn)纜要求使用內(nèi)含雙絞線(xiàn)的屏蔽線(xiàn)，而且必須打上符合USB使用標(biāo)記；低速USB推薦但非要求使用雙絞線(xiàn)和屏蔽線(xiàn)；30USB物理規(guī)范 USB 合法cable 標(biāo)準(zhǔn)可分離的USB cable=A Plug + B PlugCable最大長(zhǎng)度取決于信號(hào)衰減和傳播延遲，同時(shí)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(xiàn)或客戶(hù)定義端A plug端與線(xiàn)的定義同標(biāo)準(zhǔn)USB cable，都是必須適用與高速/全速；Cable 差分線(xiàn)間

23、skew100ps；滿(mǎn)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(mǎn)足相關(guān)要求；32USB物理規(guī)范 低速不可分離 USB cable A plug+線(xiàn)或客戶(hù)定義端滿(mǎn)足阻抗特性和負(fù)載cap要求（單端cap：200450pf）；cable最大長(zhǎng)度取決于低速信號(hào)的上升和下降時(shí)間（即傳播延遲18ns，以滿(mǎn)足Tr/Tf要求）；差分skew65%； Low-speed cable；l電源線(xiàn)：2820AWG，不要求絞線(xiàn);l信號(hào)線(xiàn)：28AWG，推薦雙絞線(xiàn);l排擾線(xiàn)（ drain wire ）：28AWG鍍錫銅線(xiàn);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(chǔ)溫度: -20 to +60 電阻：36USB物理規(guī)范 USB接地USB的屏蔽線(xiàn)必須與插頭的機(jī)殼地相連；用戶(hù)可以選擇USB Device與Cable的接地機(jī)制以滿(mǎn)足實(shí)際需求和安規(guī)/ EMI /ESD /RFI等要求；37USB2.0 協(xié)議 USB 體系簡(jiǎn)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(shè)備架構(gòu)； USB 主機(jī)：硬件和軟件 USB HUB 規(guī)范38USB 電氣規(guī)范 信號(hào)發(fā)送 高速信號(hào)發(fā)送簡(jiǎn)介 支持480Mbps的高速信號(hào)傳送，差分線(xiàn)每條線(xiàn)末端采用45 ohm端接,合計(jì)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(xiàn)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(dòng)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(hào)還必須能連續(xù)耐受與Vbus、GND或其他數(shù)據(jù)線(xiàn)的短路； USB Port信號(hào)在任何驅(qū)動(dòng)狀態(tài)都必須能連續(xù)耐受如下電壓波形；USB信號(hào)發(fā)送的最大輸出波

26、形41USB 電氣規(guī)范 FS 驅(qū)動(dòng)器特性 連接要求用屏蔽的雙絞線(xiàn)，差分阻抗90ohm15%；共模阻抗3030%；單線(xiàn)最大延遲26ns； 不支持HS的，每條線(xiàn)驅(qū)動(dòng)器的阻抗要求2844ohm； 支持HS的，每條線(xiàn)驅(qū)動(dòng)器的阻抗要求40.549.5ohm；42USB 電氣規(guī)范 FS信號(hào)波形43USB 電氣規(guī)范LS 驅(qū)動(dòng)器特性連線(xiàn)與device組合電容， 450pFD+或D-線(xiàn)電容200pF；無(wú)阻抗控制要求；Cable傳播延遲小于18nS;LS信號(hào)波形44USB 電氣規(guī)范HS (480Mbps)驅(qū)動(dòng)器特性 輸出驅(qū)動(dòng)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(dòng)方式，D+或D-正常驅(qū)動(dòng)電流17.78mA; 下行端口D+或D-下拉15K 10%電阻到GND(要關(guān)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(xiàn)。要求差分阻抗90ohm15%，共模阻抗30ohm30%；單線(xiàn)路延遲26ns； PCB板內(nèi)走線(xiàn)控制差分阻抗90ohm，延遲可達(dá)4ns（長(zhǎng)度約20inch以上）；45USB 電氣規(guī)范 信號(hào)的上升時(shí)間/下降時(shí)間 FS/LS Tr/Tf (10%90%)時(shí)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(xiàn)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(duì)地CAP10pF; 差分CAP5pF; HS的D+或D-線(xiàn)上加鐵氧體 bead is strongly discouraged ；HS 負(fù)載等效電路56USB 電氣規(guī)范 信號(hào)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(kāi)信號(hào)59USB 電氣規(guī)范 HS 設(shè)備是通過(guò)檢測(cè)到信號(hào)線(xiàn)上出現(xiàn)雙倍的信號(hào)電壓來(lái)判斷連接斷開(kāi)的； 525mVVHSDSC625mV;60USB 電氣規(guī)范 上電與連接時(shí)序t1:t1:上電電源切換時(shí)間；上電電源切換時(shí)間；t2:t2:電源穩(wěn)定到信號(hào)連接時(shí)間；電源穩(wěn)定到信號(hào)連接時(shí)間；t3:resett3:reset前的確保機(jī)電穩(wěn)定預(yù)留時(shí)間；前的確保機(jī)電穩(wěn)定預(yù)留時(shí)間；t4:t4:無(wú)活動(dòng)掛起時(shí)間；無(wú)活動(dòng)掛起時(shí)間；t5:Hubt5:Hub發(fā)送發(fā)送resetreset到到devicedevice的時(shí)間；的時(shí)間；t6:resett6:reset時(shí)間；時(shí)間；10ms minimum10ms minimum61U

30、SB 電氣規(guī)范 數(shù)據(jù)信號(hào)發(fā)送USB數(shù)據(jù)包采用差分信號(hào)傳輸； 低速/全速數(shù)據(jù)信號(hào)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(hào)發(fā)送 SOP: 即由Idle切換到K狀態(tài)來(lái)宣告開(kāi)始發(fā)送包；其“K”是SYNC電平 (NRZI 序列 KJKJKJKJ KJKJKJKJ KJKJKJKJ KJKJKJKK) 的第一個(gè)symbol; EOP:對(duì)非SOF的EOP，共8bit；其第1bit為EOP前最后一個(gè)symbol取反，其余7bit 與EOP前最后一個(gè)symbol相同,類(lèi)似NRZI碼的“0111111”；對(duì)SOF的EOP, 為40bit；

33、其第1bit為EOP前最后一個(gè)symbol取反，其余bits 與EOP前最后一個(gè)symbol相同；類(lèi)似NRZI碼的“01111111 11111111 11111111 11111111 11111111. ”EOP結(jié)束后，BUS恢復(fù)到Idle狀態(tài)； Idle：D+和D-為“GND”；63USB 電氣規(guī)范 復(fù)位信號(hào)發(fā)送 集線(xiàn)器信號(hào)通過(guò)控制端口上的持久的SE0態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)下形端口的復(fù)位。復(fù)位信號(hào)清除后，設(shè)備都將處于缺省狀態(tài)。 復(fù)位信號(hào)可在任一個(gè)集線(xiàn)器或主機(jī)的控制端口產(chǎn)生，該復(fù)位信號(hào)的最小持續(xù)時(shí)間為10ms。 一個(gè)設(shè)備如果見(jiàn)其上形端口的SE0態(tài)持續(xù)時(shí)間超過(guò)2.5us，則它就把該信號(hào)作為復(fù)位信號(hào)處理。

34、 在復(fù)位信號(hào)清除后的10ms的復(fù)位恢復(fù)時(shí)間后，集線(xiàn)器必須能接收所有集線(xiàn)器請(qǐng)求，設(shè)備也必須能接收一個(gè)SetAddress()請(qǐng)求。如果接收這些請(qǐng)求失敗，則設(shè)備將不能被USB系統(tǒng)軟件所識(shí)別。64USB 電氣規(guī)范 高速Hub或Device的復(fù)位協(xié)議 先確認(rèn)是高速device； Hub開(kāi)始發(fā)出SE0信號(hào)；視為T(mén)0點(diǎn)； Device檢測(cè)SE0信號(hào) 如果是從掛起狀態(tài)喚醒，則device在檢查到2.5us的reset信號(hào)后，啟動(dòng)高速檢測(cè)握手進(jìn)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(hào)后，啟動(dòng)高速檢測(cè)握手進(jìn)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(cè)到SE0信號(hào)，啟動(dòng)高速檢測(cè)握手進(jìn)程；65USB 電氣規(guī)范高速檢測(cè)握手進(jìn)程（對(duì)低速device無(wú)效） 高速device讓D+上拉，斷開(kāi)高速端接，往Bus上發(fā)送Chirp K （時(shí)間17ms，從T0計(jì)算）； Hub檢測(cè)到的Chirp K必須大于2.5us；否則會(huì)持續(xù)發(fā)SE0信號(hào)，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(hào)，以保證Bus處于激活狀態(tài)而不會(huì)掛起；J或K信號(hào)時(shí)長(zhǎng)4060us， Chirp J/K交替信號(hào)必須

36、持續(xù)到reset結(jié)束前100500us; Hub發(fā)完Chirp信號(hào)后，發(fā)送SE0信號(hào)直到reset結(jié)束；復(fù)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(hào)，且每位信號(hào)的長(zhǎng)度大于2.5us；如果檢測(cè)OK，device會(huì)在500us內(nèi)，斷開(kāi)D+上拉，回復(fù)高速端接，進(jìn)入高速default狀態(tài)；如果device在發(fā)完自己的chirp后1ms2.5ms后檢測(cè)Fail，device會(huì)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(shè)備都必須能支持掛起狀態(tài)，并可從任一電平狀態(tài)進(jìn)入掛起

37、態(tài)。當(dāng)設(shè)備發(fā)現(xiàn)它們的上行總線(xiàn)上的空閑態(tài)持續(xù)時(shí)間超3.0ms時(shí)，它們便進(jìn)入掛起態(tài)。當(dāng)設(shè)備的所有端口上的總線(xiàn)不活動(dòng)時(shí)間不超過(guò)10ms后，設(shè)備必須被真正的掛起，此時(shí)它僅從總線(xiàn)上獲得掛起電流。如果總線(xiàn)缺少其他的通信流量時(shí)，SOF令牌將在每（微）幀中出現(xiàn)一次，以防止全速/高速設(shè)備被掛起。當(dāng)任一低速設(shè)備缺乏通信流量時(shí)，在SOF令牌出現(xiàn)的每一幀中至少有一個(gè)低速設(shè)備處于活動(dòng)態(tài)，以避免它們不被掛起。 當(dāng)處在掛起狀態(tài)時(shí)，設(shè)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(gè)空閑態(tài)，這樣上行集線(xiàn)器才能為設(shè)備維持正確的連結(jié)狀態(tài)。67USB 電氣規(guī)范 高速設(shè)備掛起額外要求 高速device如果檢

38、測(cè)到Bus為Idle狀態(tài)大于3ms，device將在idle開(kāi)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(huì)采樣Bus狀態(tài)，如果是全速下的J狀態(tài)，device會(huì)繼續(xù)掛起； 高速device或下行端口從掛起喚醒后，必須回復(fù)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(dāng)在總線(xiàn)的任何地方?jīng)]有通信需要時(shí)，就要用到全局掛起，此時(shí)所有總線(xiàn)都處在掛起狀態(tài)。主機(jī)通過(guò)中止它所有的傳送(包括SOF令牌)來(lái)發(fā)送開(kāi)始全局掛起信號(hào)。當(dāng)總上的每個(gè)設(shè)備識(shí)別總線(xiàn)的空閑態(tài)持續(xù)適當(dāng)時(shí)間時(shí)，它將進(jìn)入掛起狀態(tài)。 局部掛起 可以通過(guò)向集線(xiàn)器端口發(fā)送SetPo

39、rtFeature(PORT-SUSPEND)來(lái)使與其相連的總線(xiàn)部分被掛起，此時(shí)處于那部分的設(shè)備經(jīng)過(guò)上面所說(shuō)的適當(dāng)時(shí)延后進(jìn)入掛起狀態(tài)。69USB 電氣規(guī)范 喚醒 處在掛起狀態(tài)的設(shè)備，當(dāng)它的上行端口接收到任一非空閑信號(hào)時(shí)，它的操作將被喚醒。特別地，如果設(shè)備的遠(yuǎn)程喚醒功能被USB系統(tǒng)軟件開(kāi)啟時(shí)，它也可以發(fā)信號(hào)給系統(tǒng)來(lái)完成喚醒操作。喚醒信號(hào)由主機(jī)或設(shè)備使用，以使一個(gè)掛起的總線(xiàn)段回到活動(dòng)態(tài)。集線(xiàn)器在喚醒信號(hào)的生成和傳播中起了十分重要的作用。設(shè)備喚醒時(shí)總有一個(gè)先后次序，我們將在后面詳細(xì)介紹。 USB系統(tǒng)軟件必須提供10ms的喚醒恢復(fù)時(shí)間，在這段時(shí)間內(nèi)，它將不對(duì)與被喚醒的部分總線(xiàn)相連的任一設(shè)備進(jìn)行操作。

40、端口的中斷與連接也可以使集線(xiàn)器發(fā)送一個(gè)復(fù)位信號(hào)，從而喚醒系統(tǒng)，但僅當(dāng)集線(xiàn)器具有遠(yuǎn)程喚醒使能時(shí)，這些事件才能引起集線(xiàn)器發(fā)送喚醒信號(hào)。70USB 電氣規(guī)范 數(shù)據(jù)的編碼與解碼在包傳送時(shí)，USB使用一種NRZI(None Return Zero Invert，即無(wú)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(gè)數(shù)據(jù)流及其它的NRII編碼，在該圖的第二個(gè)波形圖中，一開(kāi)始的高電平表示數(shù)據(jù)線(xiàn)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(hào)發(fā)送的準(zhǔn)確性，當(dāng)在USB上發(fā)送一個(gè)包時(shí)，傳送設(shè)備就要進(jìn)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(gè)連續(xù)的1后插入一個(gè)0，從而強(qiáng)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(kāi)始，貫穿于整個(gè)傳送過(guò)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(qiáng)制執(zhí)行的，是沒(méi)有例外的。如果嚴(yán)格遵守位插入規(guī)則，甚至在EOP信號(hào)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(duì)NRZI數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼，識(shí)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(gè)連續(xù)的“1”，則將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)位插入

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

43、0ppm)。對(duì)支持高速USB的主機(jī)，集線(xiàn)器和設(shè)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(jī)，集線(xiàn)器和高速設(shè)備的數(shù)據(jù)率誤差為0.25%(2500ppm)。集線(xiàn)器控制器的數(shù)據(jù)率應(yīng)該準(zhǔn)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(shè)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(fù)載電容量的影響 振蕩器上電壓供應(yīng)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(jī)每間隔1ms(這個(gè)1ms稱(chēng)為一幀，允許誤差0.005ms)發(fā)送一個(gè)幀開(kāi)始令牌包SOF(Start of Frame)。包含SOF標(biāo)記、幀序列號(hào)及CRC5校驗(yàn)碼 。 在高速模式下，主機(jī)每間隔1/8ms（即為一微幀，允許誤差0.0625 s）發(fā)送一個(gè)幀開(kāi)始令牌包SOF。 相鄰幀間隔時(shí)間差0.5bit time(full speed); 相鄰微幀間隔時(shí)間差4bits time(high speed);77USB 電氣規(guī)范 數(shù)據(jù)源的抖動(dòng) 在數(shù)據(jù)發(fā)送的邊緣時(shí)間內(nèi)，數(shù)據(jù)源可能發(fā)生一些變化(即抖動(dòng))。處在任何數(shù)據(jù)變化集間的時(shí)間為N*Tperiod抖動(dòng)時(shí)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(shí)際時(shí)間段。數(shù)據(jù)抖動(dòng)的測(cè)量與計(jì)算最大上升沿和下降沿時(shí)所用的負(fù)載相同，并且它們?cè)跀?shù)據(jù)線(xiàn)的交叉點(diǎn)處進(jìn)行測(cè)量，如圖12。 對(duì)高速傳送，Jitter需要滿(mǎn)足眼圖要求； 對(duì)于全速傳送，任何連續(xù)的差分?jǐn)?shù)據(jù)變化的抖動(dòng)時(shí)間為必須在2.0ns內(nèi)，對(duì)于任何一個(gè)成對(duì)出現(xiàn)的差分?jǐn)?shù)據(jù)變化(Jk到下一個(gè)Jk的變化或kJ到下一個(gè)kJ的變化)的抖動(dòng)時(shí)間必須在1.0ns內(nèi)。 對(duì)于低速傳送，任何連續(xù)的差分?jǐn)?shù)據(jù)變化的抖動(dòng)時(shí)間必須在25ns內(nèi)，而任一成對(duì)出現(xiàn)差分?jǐn)?shù)據(jù)變化的抖動(dòng)時(shí)間必須在10ns內(nèi)。 這些抖動(dòng)的現(xiàn)象包括時(shí)間的變化，主要?dú)w咎于差分緩沖器的延遲和上升沿及下降沿時(shí)間的不匹配，內(nèi)部時(shí)鐘抖

46、動(dòng)，噪聲及其他隨機(jī)因素的影響。78USB 電氣規(guī)范 差分?jǐn)?shù)據(jù)線(xiàn) 抖動(dòng)數(shù)據(jù)抖動(dòng)分類(lèi)連續(xù)變化成對(duì)的變化Tperiod的整數(shù)多元化橋接點(diǎn)79USB 電氣規(guī)范 接收端數(shù)據(jù)的抖動(dòng) 當(dāng)抖動(dòng)存在時(shí)，任何設(shè)備類(lèi)型的數(shù)據(jù)接收必須能正確地對(duì)差分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行解碼。這種情況的抖動(dòng)可能是由上面所說(shuō)的時(shí)延不匹配所引起，也可能是由源端和目標(biāo)端數(shù)據(jù)速率的不匹配所引起。在特定的應(yīng)用中，只要抖動(dòng)條件滿(mǎn)足，輸出驅(qū)動(dòng)器的抖動(dòng)可能對(duì)設(shè)備時(shí)鐘的精確性產(chǎn)生影響。 詳細(xì)的全速/低速接收端Jitter 預(yù)算請(qǐng)參考USB spec 2.0 Table 7-4和7-5; 高速接收端在BER=82ns; 低速SE0時(shí)間應(yīng)=670ns; 高速EOP81U

47、SB 電氣規(guī)范 電纜的延遲 USB中傳送信號(hào)的電纜所允許的時(shí)延為26ns，對(duì)于一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的USB可分電纜，其時(shí)延由從串行A口連接器端到串行B口連結(jié)端計(jì)算而得，并且其值小于26ns；而對(duì)于其它電纜，其時(shí)延由從串行A口連結(jié)器端到該電纜所連設(shè)備端計(jì)算而得。 電纜延遲必須5.2ns/米；即標(biāo)準(zhǔn)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(hào)衰減 對(duì)于進(jìn)行高速信號(hào)發(fā)送的每根電纜而言，信號(hào)對(duì)(D+，D-)所允許的最大衰減量右表所示。信號(hào)時(shí)延信號(hào)時(shí)延Cable允許的最大衰減82USB 電氣規(guī)范 USB最大端到端信號(hào)延遲 全速/低速：Host等待響應(yīng)的最大時(shí)間

48、為18 bits time； 高速：721bits time；83 USB 測(cè)試模式 順應(yīng)性測(cè)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?zèng)]有test mode； USB test mode下的端口會(huì)反復(fù)發(fā)送如下數(shù)據(jù)，SI眼圖測(cè)測(cè)試即可完成；84USB 電氣規(guī)范 電源分布 所有USB設(shè)備的缺省電壓為低電壓，當(dāng)設(shè)備要從低電壓變化到高電壓時(shí)，則是由軟件來(lái)控制的。在允許設(shè)備達(dá)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(lái)源和電壓消耗供應(yīng)者，包括如下的部分。根端口集線(xiàn)器：它是直接與USB主機(jī)控制器相連的，并與其

49、相同的電源來(lái)源。從外部獲得操作電壓(AC或DC)的系統(tǒng)，在每個(gè)端口至少支持五個(gè)單位負(fù)載，這些端口稱(chēng)為高電壓端口。由電池組提供電壓的系統(tǒng)可以支持一個(gè)或五個(gè)單位負(fù)載。哪些只能支持一個(gè)單位負(fù)載的端口稱(chēng)為低電壓端口。從總線(xiàn)獲得電壓的集線(xiàn)器：它的所有內(nèi)部功能設(shè)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(shí)，它可以接一個(gè)單位負(fù)載，經(jīng)過(guò)初始設(shè)置后，它可以接五個(gè)單位負(fù)載。初始設(shè)置電壓被分配給了集線(xiàn)器，任一固定功能設(shè)備和外部端口。它的外部端口只能接一個(gè)單位負(fù)載，當(dāng)集線(xiàn)器處于活動(dòng)或掛起態(tài)時(shí)，它必須為這個(gè)端口提供電流。該種集線(xiàn)器如圖所示。注：一個(gè)單位負(fù)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(gè)單位負(fù)載下行數(shù)據(jù)端口 集線(xiàn)器控制器調(diào)節(jié)器不可移動(dòng)功能設(shè)備一個(gè)單位負(fù)載一個(gè)單位負(fù)載/端口下行Vbus總線(xiàn)提供電壓的集線(xiàn)器86USB 電氣規(guī)范 自給電壓集線(xiàn)器：如圖所示，它的任一內(nèi)部功能設(shè)備和下形端口不再?gòu)腣bus上獲得電壓，但當(dāng)它的其余部分電壓下降時(shí)，它的USB接口可接一個(gè)單位負(fù)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(xiàn)器，可在每個(gè)端口接五個(gè)單位負(fù)載。由電池組提供電壓的集線(xiàn)器，每端口可接一個(gè)或五個(gè)單位負(fù)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(shè)備或高電壓設(shè)備工

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

52、有一個(gè)可控制的上電時(shí)序，以便當(dāng)設(shè)備正在被喚醒的任一時(shí)間內(nèi)，從集線(xiàn)器輸入的電流不能超過(guò)端口的最大電流允許值。91USB 電氣規(guī)范 設(shè)備的動(dòng)態(tài)加載與卸載插入或撥掉一個(gè)集線(xiàn)器或其它功能設(shè)備時(shí)，不應(yīng)影響網(wǎng)絡(luò)中其余設(shè)備的正常工作為前提。卸載掉一個(gè)功能設(shè)備將中止設(shè)備與主機(jī)間的通信，此時(shí)集線(xiàn)器向主機(jī)警告該端口已被中斷。動(dòng)態(tài)加載某設(shè)備可能會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)電流，因而會(huì)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(fù)載為10uF+44;每個(gè)Hub的下行端口電源線(xiàn)必須帶有大于120uF的low ESR 的Bypass電容；

53、 在動(dòng)態(tài)加載期間，通過(guò)使連結(jié)器上的信號(hào)端口處于空閑，以使其免受強(qiáng)電流的破壞，這樣為了使電壓端口首先進(jìn)行聯(lián)系。這就保證，在信號(hào)端口連接前，分布在下行設(shè)備上的電壓是可用的。另外，在連接期間，信號(hào)線(xiàn)均處于高阻抗?fàn)顟B(tài)，因此標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)線(xiàn)上此時(shí)沒(méi)有電流。92USB 電氣規(guī)范 設(shè)備從網(wǎng)絡(luò)中卸去時(shí)，電纜的電感系統(tǒng)將在設(shè)備電纜的開(kāi)口端產(chǎn)生一個(gè)很大的回流電壓，它是沒(méi)有破壞性的。但在電纜設(shè)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(huì)引起設(shè)備端電壓極性的改變。但回流電壓會(huì)產(chǎn)生噪音，通常利用分流電容器進(jìn)行適當(dāng)分流以減少噪音，分流電容器對(duì)回流電壓及其產(chǎn)生的噪聲進(jìn)行緩和。93USB 電氣規(guī)范 電氣

54、特性詳細(xì)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(jiǎn)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(shè)備架構(gòu)； USB 主機(jī)：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(xiàn)上先傳輸一個(gè)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(gè) 1 要求進(jìn)行人為填充，即插入一個(gè) 0（詳見(jiàn)NRZI編碼.pdf）。 96USB 協(xié)議層規(guī)范 所有的 USB 包都由 SY

55、NC 開(kāi)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(shí)際接收到的 SYNC長(zhǎng)度由于USB HUB 的關(guān)系，可能會(huì)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(lèi)型，分為令牌（Token）、數(shù)據(jù)（Data）、握手（Handshacke）以及特殊包 4大類(lèi)，共 16種類(lèi)型的PID。98USB 協(xié)議層規(guī)范99USB 協(xié)議層規(guī)范 對(duì)于令牌包來(lái)說(shuō)，PID之后是 7位的地址和 4位的端點(diǎn)號(hào)。令牌包沒(méi)有數(shù)據(jù)域，以 5 位的 CRC 校驗(yàn)和結(jié)束。SOF是一類(lèi)特殊的令牌包，PI

56、D 后跟的是11 位的幀編號(hào)。 對(duì)于數(shù)據(jù)包來(lái)說(shuō)，PID 之后直接跟數(shù)據(jù)域，數(shù)據(jù)域的長(zhǎng)度為N字節(jié)，數(shù)據(jù)域后以 16 位的 CRC 校驗(yàn)和結(jié)束; 握手包僅有PID 域，沒(méi)有數(shù)據(jù)也沒(méi)有校驗(yàn)和。 分離傳輸會(huì)用到一類(lèi)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(hào)以及端點(diǎn)類(lèi)型（控制、中斷、批量、同步）。以及此次傳輸中數(shù)據(jù)包在整個(gè)數(shù)據(jù)中的位置（第一個(gè)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(xiàn)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(xiàn)的幀周期為125uS，全速以及低速 USB 總線(xiàn)的幀周期為 1mS。幀的起始由一個(gè)特定的包（SOF 包）表示，幀尾為 EOF。EOF不是一個(gè)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(xiàn)和全速/低速 USB總線(xiàn)的幀周期不一樣，當(dāng)時(shí) SOF包中幀編號(hào)的增加速度是一樣的，因?yàn)樵诟咚?USB系統(tǒng)中，SOF包中幀編號(hào)實(shí)際上取得是計(jì)數(shù)器的高 11位，最低三位作為微幀編號(hào)沒(méi)有使用，因此其幀編號(hào)的增加周期也為 1mS。 101USB 協(xié)議層規(guī)范 1. 批量事務(wù)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(lái)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(wù)傳輸來(lái)完成全部數(shù)據(jù)的傳輸，傳輸過(guò)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(cuò)誤，會(huì)重試該傳輸，若成功則將錯(cuò)誤次數(shù)計(jì)數(shù)器清零，否則累加該計(jì)數(shù)器。超過(guò)三次后，HOST 認(rèn)為該端點(diǎn)功能錯(cuò)誤（STALL），放棄該端點(diǎn)的傳輸任務(wù)。 一次批量傳輸（Transfer）由 1 次到多次批量事務(wù)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(wù)傳輸才會(huì)導(dǎo)致 PID 翻轉(zhuǎn)，也就是說(shuō)發(fā)送段只有在接收到 ACK 后才會(huì)翻轉(zhuǎn) PID，發(fā)送下一個(gè)數(shù)

59、據(jù)包，否則會(huì)重試本次事務(wù)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(gè) DATA0，那么接收端認(rèn)為第二個(gè) DATA0 是前一個(gè) 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(gè)）個(gè)階段：建立（Setup）、數(shù)據(jù)（DATA）（可能沒(méi)有）以及狀態(tài)（Status）。每個(gè)階段都由一次或多次（數(shù)據(jù)階段）事務(wù)傳輸組成（Transaction） 右圖為建立階段的事務(wù)傳輸流程圖?？梢钥闯觯号c批量傳輸相比，在流程上并沒(méi)有多大區(qū)別，區(qū)別只在于該事務(wù)傳輸發(fā)生的端點(diǎn)不一樣、支持的最大包長(zhǎng)度不一樣、優(yōu)先級(jí)不一樣等這樣一些對(duì)

60、用戶(hù)來(lái)說(shuō)透明的東西。104USB 協(xié)議層規(guī)范 建立階段過(guò)后，可能會(huì)有數(shù)據(jù)階段，這個(gè)階段將會(huì)通過(guò)一次或多次控制傳輸事務(wù)，完成數(shù)據(jù)的傳輸。同樣也會(huì)采用PID翻轉(zhuǎn)的機(jī)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(guò)一次方向與前一次相反的控制事務(wù)傳輸來(lái)表明傳輸?shù)某晒εc否。如果成功會(huì)返回一個(gè)長(zhǎng)度為 0 的數(shù)據(jù)包，否則返回 NAK或 STALL。下圖為整個(gè)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(wù)傳輸發(fā)生的端點(diǎn)不一樣、支持的最大包長(zhǎng)度不一樣、優(yōu)先級(jí)不一樣等這樣一些對(duì)用戶(hù)來(lái)說(shuō)透明的