USB2.0协议概述

SB发展到现在，主要流行1.1、2.0、3.0这几个版本，而3.1暂时只有少量笔记本在用。

主流版本区别：

USB1.1，支持全速12Mbps和低速1.5Mbps。

USB2.0，兼容1.1，增加了高速480Mbps。

USB3.0，兼容2.0，增加了超速5Gbps。

在用户的角度，使用USB设备是非常方便的。但是，在开发人员的角度，可是谈USB色变。

这是因为，USB硬件接口非常简单，导致上层协议非常复杂。



由上图所示，自下而上，USB硬件接口提供物理的通信链路，EHCI等主机控制器负责调度各端点的数据流，USB驱动协助操作系统和USB设备交换数据同时能烧写固件到USB设备，GUI则让用户轻松操纵USB设备，服务器云端数据库提供各种各样的USB驱动。

USB协议，是一个主从式的协议，所有的通信都由主机发起，设备不能发起。下图，展示了USB家族的主要成员。



USB Host，即USB主机，一般是PC机。

USB Device，即USB设备，有USB键盘、U盘等，而USB Hub集线器是一种特殊的USB设备。

USB OTG，OTG即On-The-Go，同时具备USB主机和USB设备的功能，数码相机就带有OTG的功能。

以下，细说USB2.0的方方面面。

一、USB硬件接口。

1.1 接插件。



由上图所示，USB座有很多种类型，主要分为：公/母、直插、贴片、单/双层、扁/方，等几种类型。

可以看到它只有四根线，分别是VBUS、DP（或D+）、DM（或D-）、GND。此外，还有屏蔽罩，一般屏蔽罩是通过一个100nF的电容连到GND的。

1.2 连接线。

USB线，也分几种：公对公/公对母，带磁环，带屏蔽等。

注意：USB线不能太长，否则设备可能无法正确工作。

1.3 热插拔。

热插拔。它能让你在不断电的情况下，插拔USB设备。

如果要支持热插拔，必须在VBUS、DP、DM三根线上，加上过压、过流保护，在未上电时DP和DM要保持高阻态。

另外，要利用金手指长短来控制上电顺序，插入时首先让电源线接通，让电源稳定之后，再接通信号线，拔出时顺序正好相反。这样有效防护接口被损坏。



1.4 上下拉电阻。

一般，在USB主机的DP、DM都接了下拉15K欧电阻。

对于低速设备，DM接了上拉1.5K欧电阻。

对于全速设备，DP接了上拉1.5K欧电阻。

对于高速设备，一接在主机的时候DP接了上拉1.5K欧电阻，后面经过握手协议之后，DP上断开1.5K欧电阻。

1.5 ESD防护。

一般支持USB接口的芯片ESD防护做得不够好，这个时候要另外加ESD芯片。如下图的USBLC6。



1.6 端接。

端接，目的是做阻抗匹配，特别是高速480Mbps对信号质量要求较高。

一般使用串联端接，在DP、DM上串联22欧电阻。

1.7 UTMI+和ULPI接口。

有一些不带USB接口的处理芯片，比如，51单片机、FPGA等。它们都不能直接处理USB总线上的DP、DM的差模信号。

所以，芯片厂商开发了一些USB PHY芯片，可以把DP、DM上的差模信号转成共模信号。

其中，成为业界标准的接口，有UTMI+和ULPI。

如下图所示，UTMI+接口一共有31根信号线。



如下图所示，ULPI接口一共有12根信号线。



UTMI+和ULPI，在功能上是等价的。

UTMI+和ULPI区别在于，ULPI需要读写寄存器，而UTMI+只需直接拉高或拉低信号线。

如下图所示，ULPI是在UTMI+的基础上封装了一层。



显然，UTMI+接口的信号线太多，占用大量的PCB空间，才需要推出ULPI接口。

市场上，大多数的USB PHY芯片都是ULPI接口。


1.8 检测USB设备速度的流程描述。

对于低速设备，在DM引脚上拉1.5K。

对于全速设备，在DP引脚上拉1.5K。

对于高速设备，则需要握手协议。

a、USB主机检测到全速设备，即：DP引脚上拉1.5K。

b、USB主机复位总线，即向总线发送SE0，此SE0持续时间不得小于2.5us。

c、高速设备检测到SE0持续时间不小于2.5us后，向总线发送Chirp K信号，此Chirp信号持续时间不小于1ms且不大于7ms。

d、总线回复到SE0状态。如果USB主机支持高速模式，则必须在Chipr K信号结束后100us内做出响应。

e、USB主机在Chipr K信号结束后100us内做出响应，向总线发送连续的Chirp K/J对，每个Chirp K信号或Chirp J信号的宽度不小于40us且不大于60us，每2个相邻的Chirp K和Chirp J信号之间的间隔不应大于2.5us。

f、高速设备在检测到连续的最少3对Chirp K/J对后，在500us内必须断开DP上的上拉电阻，并连接D+和D-上的对地高速端接电阻，完成高速握手，进入高速传输模式。

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