USB协议学习

文章目录

    • USB发展背景
      • 发展变化
      • 速度等级
      • 通讯接口
    • 四种传输
    • 主设备 & 从设备
      • 主设备
      • 从设备
    • 连接与检测
      • 高速设备与主机连接
      • USB总线常见的几种状态
    • 枚举过程
      • 特点
    • 控制传输
    • 学习资料

USB发展背景

发展变化

  • USB1.1:规范了USB低全速传输;

  • USB2.0:规范了USB高速传输,采用NRZI(反向不归零)编码(NRZI采用8bit编码方式),位填充(在数据进行NRZI编码前,每6个连续的1信号之后都会插入1个0信号,以避免电平不能突变丢失同步);

  • USB3.0:采用8b/10b编码,增加一对超高速差分线,供电5V/0.9A

  • USB3.1:采用采用128b/132b编码,速度提高一倍,供电20V/5A,同时增加了A/V影音传输标准;

  • USB3.2:增加一对超高速传输通道,速度再次翻倍,只能在C型接口上使用。

速度等级

1.5Mbps / 12Mbps / 480Mbps / 5Gbps / 10Gbps / 20Gbps

通讯接口

四种传输

  • 控制传输:主机获取设备信息、状态,选择设备配置等,传输的数据量不大,但数据传输的正确性有很高的保障,一般适用于信息的获取、命令的控制、参数的配置等;

  • 中断传输:收发数据量少、周期性传输,USB会为中断传输保留一定的总线带宽,用于保证其能在规定的时间周期内得到分配,适用于键盘、鼠标等设备;

  • 批量传输:利用任何可获得的总线带宽进行数据传输,**对传输的时间和速率没有要求,但必须保证数据的正确性,**可在总线带宽比较紧张的时候为其他的传输方式让出时间,而将本身的传输延迟,但当总线比较空闲时,可以很快的速率传输来发送大量的数据,比较适用于存储类的产品、打印机、扫描仪等;

  • 等时传输:恒定速率、没有差错控制和重传机制的传输,不能保证每次传输都是成功的,比较适用于音/视频类的产品。

主设备 & 从设备

主设备和从设备之间的通讯物理通道:主设备分配的地址/默认地址0 + 从设备固有端点号。

主设备和从设备之间的时间长度单位:帧(1ms,低/全速)/微帧(125us,高速)。

主设备和从设备之间协议处理基本单位:事务处理。


主设备

USB主设备一般具有以下功能:

  • 检测从设备的插拔;
  • 管理主从通讯之间的控制流;
  • 管理主从通讯之间的数据流;
  • 记录主设备状态和从设备动作信息;
  • 控制主控制器和从设备之间的电气接口。

从设备

  • 集线器
    支持最多5个集线器(不包括主设备的根集线器)级联。

  • 功能设备
    内部包含有描述自身功能和资源需求的配置信息。

连接与检测

当端口没有设备连接时,其D+和D-的电压均为0V,当主机检测到此状态维持至少2.5us,则认为没有设备连接。

当低速设备连接到主机时,D-上的电压为3V,D+上的电压仍然为0V,当主机检测到该状态维持2ms,则认为有设备连接且当前设备为低速设备。


当全速设备连接到主机时,D+上的电压为3V,D-上的电压仍然为0V,当主机检测到该状态维持2ms,则认为有设备连接且当前设备为全速设备。

高速设备与主机连接

  • 高速设备先以全速设备结构和主机连接,它们之间做双向检测;
  • 主机输出总线复位信号期间,USB设备以是否可以产生Chip K信号来表明高速或全速身份;
  • 在Chip K信号后,主机是否产生KJ序列来表明高速主机身份或全速主机身份;
  • 匹配到高速主机和高速设备后,USB设备断开D+上的1.5K的上拉电阻,连接D+/D-上的高速终端电阻,进入默认的高速状态,否则以全速状态通信。

USB总线常见的几种状态

  • 正常工作:即总线正常活动,需要随时进行传输,总线上存在周期性(全速:1ms/次;高速:125us/次)的令牌包;
  • 总线复位:由主机控制器或集线器的下行端口产生,一般出现于主机和设备刚连接后,也出现于一些传输出错或异常的情况下;
  • 总线挂起:总线无活动大于3ms。

枚举过程

特点

  • 主设备连接识别从设备必须的过程;
  • 由多个控制传输构成;
  • 经过地址0(缺省地址)到其他地址(主设备分配地址)的通信;
  • 对于挂载多个USB从设备的系统,主设备逐一进行枚举操作。

控制传输

  • 所有USB从设备必须支持的传输方式,固定使用端点0通信;
  • 控制传输的方向是双向的;
  • 控制传输多用于主设备和从设备进行信息、功能、状态等方面的获取和修改。


学习资料

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  • USB技术应用与开发

原文:USB协议学习

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