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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