【分享贴】一文带你搞懂USB 2.0协议-平芜编程栈

1 USB 2.0硬件链接和接口

USB2.0使用4线传输信号和电源，在每个点对点的传输过程中，信号通过D+、D-两根线进行传输。

USB系统中设备和主机的链接方式采用的是星形连接，需要注意协议规定最大支持5级HUB (HUB 会增加delay, 还会影响设备接收到SYNC长度)。如下图。

2 USB 2.0 PHY的工作模式

USB 2.0的应用广泛，设备按照速率可分为如下几类

Low-Speed mode（LS-MODE）低速传输速率1.5Mb/s

Full-Speed mode（FS-MODE）全速传输速率12Mb/s

High-Speed mode（HS-MODE）高速传输速率480Mb/s

2.1 LS/FS-MODE

LS/FS模式下，使用的是3.3V的IO，D+、D-单端摆幅0-3.3V。发射端的输出阻抗28~44Ω，如果LS/FS复用HS-driver，输出阻抗范围40.5~49.5Ω。这里说一下支持HS-MODE的PHY不一定需要支持LS-MODE但是一定需要支持FS-MODE。

在LS/FS 模式下，HOST始终有15K 下拉电阻。DEVICE在LS模式下会在DM上拉1.5K电阻。DEVICE在FS模式下会在DP上拉1.5K电阻。

2.2 HS－MODE

在支持HS-MODE的设备中，需要进行握手确认，都支持HS-MODE，才能进入HS-MODE的工作模式。握手总是紧随RESET 之后。

驱动的差分输出阻抗为90Ω±15%，单端输出阻抗45Ω±15%，单端信号摆幅400mV±10%。

HS模式下，发射端的单端输出阻抗是45Ω , 接收端同样也有匹配的终端电阻45欧姆。因此在DP或者DM上看到的等效DC阻抗为22.5Ω。见下图。

2.3 CHIRP-MODE

首先明确一个概念，LS/FS模式没有CHIRP-MODE这个概念，LS/FS模式的进入是通过判断DM、DP线上高电平，从而判断进入不同的模式。CHIRP模式的作用是帮助支持HS-MODE的HOST和DEVICE进行协商进入HS-MODE。

CHIRP-MODE仅仅在RESET之后的握手动作中使用，CHIRP-MODE时，只打开自身的45Ω对地电阻，因此CHIRP-MODE的信号幅度是HS-MODE信号幅度的两倍。

2.4 NRZI编码和“J”“K”状态

USB采用NRZI的编码方式传送数据。在NRZI 编码中，当遇到“0” 时，信号电平发生翻转，遇到“1” 信号电平保持上一个状态不变。如下图所示

USB协议规定连续 6 个 '1' 之后自动插入一个 '0'（Bit Stuffing）（填充位，接收端会丢弃这个填充的0）。这个填充的 '0' 会在NRZI中产生一次翻转，强制接收端可以重新同步时钟。

USB 协议规定通过判断总线上D+\D-两条线上相对地的实际电平来判断状态“J”和“K”。

在LS-MODE下，D-电平> D+电平定义为状态“J”，D+电平> D-电平定义为状态“K”。

在FS-MODE下，D+电平> D-电平定义为状态“J”，D-电平> D+电平定义为状态“K”。

在HS-MODE下，D+电平> D-电平定义为状态“J”，D-电平> D+电平定义为状态“K”。

通过上面可以发现LS-MODE和FS-MODE的“J” “K”状态是相反的。为什么会这样呢？

因为LS/FS-MODE的“J”状态定义为总线空闲时的状态。

LS空闲时：D-被上拉到高电平 → 所以“D-高、D+低”被定义为“J”。

FS空闲时：D+被上拉到高电平 → 所以“D+高、D-低”被定义为“J”。

2.5 SE0信号&同步信号&EOP

USB协议中定义当D+、D-都是“0”电平时为SE0。LS/FS模式的空闲状态是“J“，HS模式的空闲状态是SE0。

在FS/LS-MODE中，用3对KJ+1对K来表示同步头（SYNC），共计8个bit，用2个bit宽度的SE0+1个bit“J”来表示EOP。对于大于2.5us的SE0被定义为RESET。对于FS模式，SE0的宽度为160ns-175ns之间，对于LS 模式，SE0的宽度为1.25us-1.5us之间。SE0的时间长度必须小于2个LS模式的bit (<2.5us)，否则会被认为是RESET。

在HS-MODE中，用15对KJ+1对K来表示同步头（SYNC），共计32bit。需要注意的是，USB 最大支持5级HUB 链接，每经过一级HUB ，是允许HUB 丢掉4个bit的SYNC头，也就是两对KJ。因此实际上最差情况下，接收端收到的最短SYNC头是5对JK加上一对K, 也就是12个bit。

HS模式的EOP和LS/FS模式不一样，它是用“011111111”表示，上文有说过NRZI的编码是“0”发生信号翻转，“1”不发生信号翻转。所以EOP的电平，取决于EOP之前数据最后一位是“J”还是“K” 如果前一次是“J”，那么EOP=KKKKKKKK. 如果前一次是“K”，那么EOP=JJJJJJJJ。

协议中规定EOP不需要大于连续6个“1”之间插入0，所以位填充错误也会被认为是EOP。如下图所示：

对于HS-MODE来说，小于3ms的SE0为IDLE 状态。大于3ms的SE0, 如果仍然为强驱动（45Ω到地），那么为RESET；大于3ms的SE0,如果为弱驱动（15K到地），那么为Suspend。

2.6 各种模式电阻的情况

如下是模式识别时，Host和Device电阻控制总结

3 HS-MODE典型接口时序

3.1 HS Suspend 检测

DEVICE在HS-MODE情况下检测到超过3ms的SE0状态后，Device马上切成FS模式，也就是撤销接收端45Ω到地电阻，并在DP上挂上1.5K上拉电阻。此时HOST发出的是弱驱动SE0，即去掉45Ω到地电阻，改成15K下拉电阻，过程如下图。

3.2 RESET检测

在LS/FS-MODE，DEVICE检测到>2.5us的SE0，就会进入RESET。如下图。

在HS-MODE情况下DEVICE检测到超过3ms 的SE0状态后，将马上切成FS模式，也就是撤销接收端45Ω到地电阻，并在DP上挂上1.5K上拉电阻。此时HOST发出的是强驱动SE0，即HOST对地45Ω还在。（本质就是判断SE0大于3ms以后是否为强驱动）：

3.3 HS-MODE握手检测

支持HS-MODE的DEVICE，在下面三种情况下会进入握手过程。

1）DEVICE处在LS/FS-MODE，检测到超过2.5us的SE0，DEVICE进入RESET，开始握手过程。

2）DEVICE已经处在Suspend的模式下后（FS-J），一旦检测到SE0, 说明线上是强驱动的SE0，DEVICE进入RESET ,开始握手过程。

3）DEVICE处于HS-MODE，并且检测到大于3ms的SE0. 这个时候有可能是HOST发起的RESET进入握手，也有可能是HOST发起的Suspend 。在这种情况下DEVICE通过切到FS-MODE，判断线上的SE0是否为强驱动。如果发现是强驱动，说明这是HOST发起的RESET，开始握手过程。

上面三种情况，可以看出握手都是以线上有强驱动的SE0开始的，都是以DEVICE进入RESET为标准。

3.4 HOST或者DEVICE握手的过程

1）DEVICE（支持HS-MODE的DEVICE）在检测到HOST发起的RESET之后，会切换成CHIRP-MODE(发射或者接收都使用HS的driver 和receiver, 但是使用FS terminal电阻)。

2）DEVICE发出至少1ms长度的Chirp K。并等待HOST的回应。

3）如果HOST支持HS-MODE，在2）完成后，HOST将发出至少三对Chirp KJ对。

4）DEVICE在检测到HOST发出的三对Chirp KJ对后，进入HS-MODE，45Ω对地电阻打开。等待正常的HS 通信数据。

上面这种情况，是HOST和DEVICE都支持HS-MODE 情况下的正常回应。如果DEVICE 不支持HS-MODE，上面过程不会进入2）, DEVICE在检测的RESET之后不会发出Chirp-K。如果HOST不支持HS-MODE，那么不会进入到3）。HOST不会回应DEVICE发出的Chirp-K。所以下面只给出两种情况的时序图。HS-HOST+ HS-DEVICE和FS-HOST+HS-DEVICE。