USB通信接口介绍

1. 概述

Usb = Universal Serial Bus全称通用串行总线，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。

USB设备可以直接和host通信，或者通过hub和host通信。一个USB系统中仅有一个USB主机，设备包括功能设备和hub，最多支持127个设备。

由于USB是主从模式的结构，设备与设备之间、主机与主机之间不能互连，为解决这个问题，扩大USB的应用范围，出现了USB OTG，全拼 ON The Go。USB OTG 同一个设备，在不同的场合下可行在主机和从机之间切换。

USB协议版本有USB1.0、USB1.1、USB2.0、USB3.1等。

速度模式：

USB1.0低速模式：1 .5Mb/s

USB1.1全速模式：12Mb/s

USB2.0 高速模式：480Mb/s 500mA

USB3.0 超高速模式： 5.0Gb/s 实际3.2Gb/s 900mA

USB3.1 超超高速模式：10Gb/s实际7.2Gb/s 20V/2A-仅限于Type-A/B 12V/3A-Type-C

USB1.1 OTG USB2.0 OTG：作为相应的补充，支持点对点通信。

供电模式：

自供电：设备从外部电源获取工作电压。

总线供电：设备从VBUS(5V) 取电，最多500mA电流，本身容值不超过10uF；

低功耗USB设备：最大功耗不超过100mA；

高功耗USB设备：枚举时最大功耗不超过100mA，枚举完成配置结束后功耗不超过500mA。

（枚举过程中，通过设备的配置描述向主机报告它的供电模式和功耗要求）

优点：传输速度快，支持热插拔，系统总线供电，支持设备种类多，扩展容易；

缺点：传输距离短，供电能力有限。

2. 硬件结构

USB使用的是差分传输模式，两个数据线D+和D-；他们使用的是3.3V电压（与CMOS的5V电压不同）而电源线和地线可以向设备提供最大电流500mA（可以编程设置）

差分信号1：D+ > VOH(min) (2.8V) 且D- < VOL(max)(0.3V)

差分信号0：D- > VOH and D+ < VOL

USB2.0与USB3.0差别：

USB2.0速度没USB3.0快；

USB2.0通常是白色或黑色，USB3.0为蓝色；

USB2.0是500mA，USB3.0为900mA；USB3.1为20V/5A；

J状态（高电平）：D+ 高，D- 低

K状态（低电平）：D+低，D- 高

SEO状态：D+ 低，D- 高

Reset信号：D+ and D- < VOL for >= 10ms

主机在要和设备通信之前会发送Reset信号来把设备设置到默认的未配置状态。即主机拉低两根信号线（SE0状态）并保持10ms

Idle状态：J状态数据发、送前后总线的状态

Suspend状态：3ms以上的J状态

3. 传输结构

集合关系：传输类型 -> 事务 -> 包 -> 域

传输类型：控制、中断、同步、批量

事务： IN、OUT、SETUP

包：令牌包、数据包、握手包

域：同步序列域、包标识域、地址域、端点域、帧号域、数据域、CRC校验域

注意：

USB的基本数据结构是包；

USB总线发送是LSB在前，MSB在后。

4. 拓扑结构

Usb主控制器：对丛机设备的控制和数据处理

Usb根集线器：是特殊的usb集线器，集成在主机控制器中，不占用地址；

Usb集线器：可以扩展出更多的USB口。

一个主控制器对应一个根集线器，而一个根集线器通常对应一个或者几个USB口，比如电脑主机上有7个主控制器和7个根集线器，

5. 速度检测

全速和低速的识别

主机的hub端的D+和D-上分别接了15k的下拉电阻到地，当主机hub悬空时，主机hub端均为低电平；

usb设备端的D+或者D-上接有1.5k上拉电阻，低速设备的上拉电阻接到D-上，高速和全速设备的上拉电阻接到D+上，当设备插入主机时，根据数据线的电平高低识别速度。

高速设备识别

usb高速设备的D+上接有1.5k的上拉电阻，当设备插入主机时，首先被识别为全速设备。之后，hub和设备需要通过“Chirp序列”的总线握手机制来识别高速和全速设备。整个过程中，高速的hub需要检测插入的设备是高速、全速还是低速，高速的设备需要检测所连接上的hub是都支持高速模式，如果双方都确认成功，就进行以系列的动作，设备从全速切换到高速模式，高速模式下，采用电流传输模式，设备需要将上拉电阻断开。否则，设备以全速模式工作；

6. HSIC

HSIC—USB High Speed Inter-Chip

是一个两线源同步的串行接口，使用240MHz双倍数据速率产生480MHz的高速速率，和传统的USB电缆连接拓扑结构的主机完全兼容。不支持中速和低速USB转换。

480MHz高速数据速率；

源同步串行接口，不传输时不耗电；

不支持热插拔，线路长度10cm；

信号驱动在1.2V标准LVCMOS水平；

不支持高速线性调频协议，HSIC只能工作在高速状态；

HSIC可以替换IIC；

常用于3G和4G模块中。

7. Type-C

接口特点

支持正反插；

支持最高20V5A的电源能力，支持快充；

支持USB3.0 USB3.1协议，同时向下兼容USB2.0协议；

多功能：传输电源和数据外，还可以传输音视频；

管脚定义

插座（front view）

插头（front view）

VBUS：电源

TXn+/TXn-/RXn+/RXn-：USB3.0/3.1高速数据线；

D+/D-：USB2.0数据线；

CC：逻辑功能识别及配置管脚，用来检测正反插以及充电功率控制。

Type-C作为DFP模式时（类似HOST或适配器）VBUS输出默认是没有电压的，只通过CC线的上拉电流大小来通知外设默认支持电流大小（5V:900mA,1.5A，3A），当接上外设后(UFP)CC线会被外设的5.1K电阻接地，VBUS就会输出5V。此后双方可以通过CC线进行数据通信，并协商到更高的充电电压（PD功能）。

VCONN：如果使用Active Cable（譬如DP功能），VCONN用来给Cable的芯片供电（共用CC管脚）；

SBU1/2：辅助信号，DP模式下的AUX协议信号；

备注：

DFP：Downstream Facing Port 下行端口可理解为Host，提供VBUS，也可提供数据。

UFP：Upstream Facing Port 上行端口可理解为Device，从VBUS中取电，并可提供数据。

DRP：Dual Role port双角色端口既可做DFP(Host)，也可做UFP(Device)，也可在DFP与UFP间动态切换。

8. USB芯片种类

接口芯片：通用USB接口芯片 Usb interface chip

USB 主控制器：USB HOST功能芯片 Usb host chip

USB微控制器：带USB接口MCU usb with mcu

并口桥：USB转并口芯片 Usb to parallel bridge 8bit 16bit 32bit

串口桥：USB转串口芯片 Usb to serial bridge IIC、SPI或者UART