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標題: 第一篇 USB基礎知識 [打印本頁]

作者: weiguopai123 時間: 2020-7-31 15:31
標題: 第一篇 USB基礎知識
本帖最后由 weiguopai123 于 2020-7-31 15:43 編輯

一、基礎知識

1.USB

USB：UniversalSerial Bus，中文譯為“通用串行總線”，USB設備最顯著的優點是具有熱插拔功能、傳輸速率快。USB是主從結構的系統，具有主機和設備這兩個角色，即Host和Device。此外，還有兩類特殊的USB設備，分別是USB集線器設備(USB Hub)和USB OTG設備。

USB協議版本有：USB1.0、USB1.、USB2.0、USB3.0。USB1.0和USB1.1只有低速模式(Low-SpeedMode)和全速模式(Full-Speed Mode)，理論上最大傳輸速率分別為1.5Mbps和12Mbps。USB2.0引入了傳輸速度更快的高速模式(High-Speed Mode)，理論上最大傳輸速率為480Mbps。而USB3.0在速度的提升上，實現了重大飛躍，最大傳輸速率理論值高達5Gbps。需要注意的是，這些都是理論值，實際開發過程中，不可能達到這些理論值。

在實際開發過程中，不同的傳輸類型有不同的傳輸速率，每一次的數據交互，都是一個相當復雜的過程，有令牌包的解析、數據包的傳輸、握手包的發送等等，這些都是額外的消耗，因此，傳輸速度是不可能達到理論值。USB有四種傳輸類型，分別是控制傳輸、中斷傳輸、塊傳輸、等時傳輸。

先學習Device開發，再研究Host的實現。

2.USB的電氣特性

USB使用差分傳輸模式，有兩條數據線，分別是：

1）USB數據正信號線，USB Data Positive，即USBDP線，簡寫為D+

2）USB數據負信號線，USB Data Minus，即USBDM線，簡寫為D-

剩下的就是電源線(5V-Vbus)和地線(GND)。對于USB OTG設備，會多出一根ID線。

3.USB主機端硬件控制器類型

分別有：OHCI UHCI EHCI XHCI。USB協議版本：1.0/ 1.1/ 2.0/ 3.0

與協議規定標準接口的對應OHCI、UHCI都是USB1.1的接口標準；而EHCI是對應USB2.0的接口標準；最新的xHCI是USB3.0的接口標準。

3.1 OHCI

OHCI：Open Host Controller Interface，是USB1.1的標準，不僅僅是針對USB，還支持其他的接口，比如支持Apple的火線（Firewire，IEEE 1394）接口。與UHCI相比，OHCI的硬件復雜，硬件做的事情更多，所以實現對應的軟件驅動的任務，就相對較簡單。主要用于非x86的USB，如擴展卡、嵌入式開發板的USB主控。

3.2 UHCI

UHCI：Universal Host ControllerInterface，是Intel主導的對USB1.0、1.1的接口標準，與OHCI不兼容。UHCI的軟件驅動的任務重，需要做得比較復雜，但可以使用較便宜、較簡單的硬件的USB控制器。Intel和VIA使用UHCI，而其余的硬件提供商使用OHCI。

3.3 EHCI

EHCI：Enhanced Host Controller Interface，是Intel主導的USB2.0的接口標準。EHCI僅提供USB2.0的高速功能，而依靠UHCI或OHCI來提供對全速（full-speed）或低速（low-speed）設備的支持。

3.4 xHCI

xHCI：eXtensible Host ControllerInterface，是最新USB3.0的接口標準，它在速度、節能、虛擬化等方面都比前面3中有了較大的提高。xHCI支持所有種類速度的USB設備(USB 3.0的 SuperSpeed; USB 2.0 Low-、Full-、andHigh-speed; USB 1.1 Low- and Full-speed)。xHCI的目的是為了替換前面3種類型（UHCI/OHCI/EHCI）。

4.識別設備的速度模式

對于設備(Device)而言，按照速度來劃分，工作在低速模式下的設備稱之為低速設備；工作在全速模式下的設備稱之為全速設備；同理，工作在高速模式下的設備稱之為高速設備。

對于主機(Host)而言，只有全速主機和高速主機兩種。

4.1識別低速和全速設備

主機的D+和D-都接有15K下拉電阻；全速USB設備的數據線D+接有1.5K的上拉電阻，一旦接入主機，主機的D+被拉高；低速USB設備的數據線D-接有1.5K的上拉電阻，一旦接入主機，主機的D-會被拉高。因此，主機就可以根據檢測到自己的D+為高還是D-為高，從而判斷接入的設備是一個全速還是低速設備。硬件結構圖如下：

圖：有USB低速設備接入

圖：有USB全速設備接入

4.2識別高速設備

剛開始時，高速設備以全速模式連接到主機，D+有上拉電阻。主機檢測到全速設備連接上之后，對設備進行復位，USB設備收到復位信號，主動發起高速模式的握手協議進行速度識別。接下來，就取決于主機端了，如果主機的USB控制器支持高速模式傳輸，則主機會與該高速設備交互完成高速模式握手協議，之后，兩者都工作在高速模式下；如果主機不支持高速模式傳輸（如果主機上沒有EHCI類型的控制器，像比較老舊的電腦，并且是XP系統的），那么握手協議就會失敗，設備端也不會切換到高速模式，之后兩者都工作在全速模式下。

如果是一個全速設備接到高速主機，設備端沒法發起高速握手協議，所以，最終設備和主機都會工作在全速模式下。主機具有多種控制器類型，能工作在全速/高速模式下。

全速和高速控制器，都是DP上拉，低速才是DM上拉（配置寄存器的時候，需要注意的地方）。

作者: 今日-今時 時間: 2020-8-11 09:46
謝謝樓主的分享，原來是調整D+,D-電位來判斷傳送速度。

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