USB2.0协议概述

2017-09-14  21:29 最近项目越来越紧张了，北斗的都没搞完，检测的又来啦，都来不及看我的女朋友，唉程序员苦，看到这文章的朋友都知道。。。
USB发展到现在，主要流行1.1、2.0、3.0这几个版本，而3.1暂时只有少量笔记本在用。 主流版本区别： USB1.1，支持全速12Mbps和低速1.5Mbps。 USB2.0，兼容1.1，增加了高速480Mbps。 USB3.0，兼容2.0，增加了超速5Gbps。 在用户的角度，使用USB设备是非常方便的。但是，在开发人员的角度，可是谈USB {MOD}变。 这是因为，USB硬件接口非常简单，导致上层协议非常复杂。
由上图所示，自下而上，USB硬件接口提供物理的通信链路，EHCI等主机控制器负责调度各端点的数据流，USB驱动协助操作系统和USB设备交换数据同时能烧写固件到USB设备，GUI则让用户轻松操纵USB设备，服务器云端数据库提供各种各样的USB驱动。
USB协议，是一个主从式的协议，所有的通信都由主机发起，设备不能发起。下图，展示了USB家族的主要成员。

USB Host，即USB主机，一般是PC机。 USB Device，即USB设备，有USB键盘、U盘等，而USB Hub集线器是一种特殊的USB设备。 USB OTG，OTG即On-The-Go，同时具备USB主机和USB设备的功能，数码相机就带有OTG的功能。
以下，细说USB2.0的方方面面。 一、USB硬件接口。 1.1 接插件。

由上图所示，USB座有很多种类型，主要分为：公/母、直插、贴片、单/双层、扁/方，等几种类型。 可以看到它只有四根线，分别是VBUS、DP（或D+）、DM（或D-）、GND。此外，还有屏蔽罩，一般屏蔽罩是通过一个100nF的电容连到GND的。 1.2 连接线。 USB线，也分几种：公对公/公对母，带磁环，带屏蔽等。 注意：USB线不能太长，否则设备可能无法正确工作。 1.3 热插拔。 热插拔。它能让你在不断电的情况下，插拔USB设备。 如果要支持热插拔，必须在VBUS、DP、DM三根线上，加上过压、过流保护，在未上电时DP和DM要保持高阻态。 另外，要利用金手指长短来控制上电顺序，插入时首先让电源线接通，让电源稳定之后，再接通信号线，拔出时顺序正好相反。这样有效防护接口被损坏。

1.4 上下拉电阻。 一般，在USB主机的DP、DM都接了下拉15K欧电阻。 对于低速设备，DM接了上拉1.5K欧电阻。
对于全速设备，DP接了上拉1.5K欧电阻。
对于高速设备，一接在主机的时候DP接了上拉1.5K欧电阻，后面经过握手协议之后，DP上断开1.5K欧电阻。
1.5 ESD防护。 一般支持USB接口的芯片ESD防护做得不够好，这个时候要另外加ESD芯片。如下图的USBLC6。

1.6 端接。 端接，目的是做阻抗匹配，特别是高速480Mbps对信号质量要求较高。 一般使用串联端接，在DP、DM上串联22欧电阻。
1.7 UTMI+和ULPI接口。 有一些不带USB接口的处理芯片，比如，51单片机、FPGA等。它们都不能直接处理USB总线上的DP、DM的差模信号。 所以，芯片厂商开发了一些USB PHY芯片，可以把DP、DM上的差模信号转成共模信号。 其中，成为业界标准的接口，有UTMI+和ULPI。
如下图所示，UTMI+接口一共有31根信号线。


如下图所示，ULPI接口一共有12根信号线。
UTMI+和ULPI，在功能上是等价的。 UTMI+和ULPI区别在于，ULPI需要读写寄存器，而UTMI+只需直接拉高或拉低信号线。
如下图所示，ULPI是在UTMI+的基础上封装了一层。

显然，UTMI+接口的信号线太多，占用大量的PCB空间，才需要推出ULPI接口。
市场上，大多数的USB PHY芯片都是ULPI接口。
1.8 检测USB设备速度的流程描述。 对于低速设备，在DM引脚上拉1.5K。 对于全速设备，在DP引脚上拉1.5K。 对于高速设备，则需要握手协议。 a、USB主机检测到全速设备，即：DP引脚上拉1.5K。 b、USB主机复位总线，即向总线发送SE0，此SE0持续时间不得小于2.5us。 c、高速设备检测到SE0持续时间不小于2.5us后，向总线发送Chirp K信号，此Chirp信号持续时间不小于1ms且不大于7ms。 d、总线回复到SE0状态。如果USB主机支持高速模式，则必须在Chipr K信号结束后100us内做出响应。 e、USB主机在Chipr K信号结束后100us内做出响应，向总线发送连续的Chirp K/J对，每个Chirp K信号或Chirp J信号的宽度不小于40us且不大于60us，每2个相邻的Chirp K和Chirp J信号之间的间隔不应大于2.5us。 f、高速设备在检测到连续的最少3对Chirp K/J对后，在500us内必须断开DP上的上拉电阻，并连接D+和D-上的对地高速端接电阻，完成高速握手，进入高速传输模式。 高速模式的握手协议，反应在USB3300的时序，如下图所示。



附录：相关资料。 1、USB2.0官方手册。
2、USB设备类手册。
3、USB3.0官方手册。 4、USB3.1官方手册。
5、EHCI官方手册。 6、USB3300数据手册。 7、USB3500数据手册。 8、UTMI官方手册。 9、ULPI官方手册。 10、《Linux设备驱动程序》（内附Linux下的USB驱动教程）
11、《深入浅出Windows驱动开发》（内附Windows下的USB驱动教程）