USB 模块 全面解析(一)

本文是我整理的一些 USB 的学习心得，希望能对大家有所帮助。

前言

这篇文章为大家介绍 USB模块的基本概述，结构框架 以及 相关电气信号。

USB 模块 全面解析(二)

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🍒 USB 基本概述

USB（Universal Serial Bus，通用串行总线）是一种广泛使用的连接标准，用于在计算机、外围设备和其他电子设备之间传输数据和供电。它最初由一群公司（包括Intel、Microsoft、Compaq等）在1996年推出，旨在简化设备连接、提高传输速度，并取代传统的串行端口（Serial Port）和并行端口（Parallel Port）。

1. USB 接口特点：

• 即插即用：设备连接后可自动识别和配置
• 热插拔：可在不关闭设备的情况下连接或断开
• 供电能力：能够为连接的设备提供电源
• 高速传输：根据不同版本提供不同的数据传输速率

2. USB 类型：
Type-A，Type-B，Mini-USB，Micro-USB，Type-C。

3. 为什么有些项目使用 USB 而不使用串口？

虽然串口（Serial Port）仍在某些特定的应用中使用，但是在许多情况下，USB 已经取代了串口：

• 速度 ：USB 的速度远高于串口。穿的典型速度为 115200 bps(bit per second), 而 USB 2.0 的速度为 480 Mbps, USB 3.0 的速度为 5Gbps, USB 3.1 的速度为 10Gbps, USB 4的速度可达 40G bps.
• 易用性： USB 设备通常支持即插即用。串口需要手动配置波特率，数据位，停止位，校验位等参数。
• 支持多种设备： USB 支持通过 USB 集线器 （USB Hub）连接多个设备。串口只能一对一的连接。

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🍒 USB 结构框架

🍉硬件框架

先介绍 USB 系统中的 2 个硬件概念：

① USB Host : USB Host 是 USB 系统中的主机端，负责 管理 和 控制 USB 总线上的所有设备。每个 USB Host 控制器中都集成了一个 Root Hub(根集线器) 。Root Hub 是 USB 拓扑结构的起点，提供了物理连接 USB 设备的端口。

② USB Device : （分为 两类 设备）
a. Hub ：集线器，用来扩展 两类 接口。
b. Function : 普通的 USB 设备，比如 U盘，声卡等。

可以看到上图的 USB设备 是通过 Hub(集线器) 连接到USB总线上。这里 Hub 相当于一个扩展坞，可以连接多个 USB 设备。

例如：USB 设备插到电脑上去，对于USB 设备接触到的是 USB控制器 内嵌的 root hub.

🍉 软件框架

APP 可以通过 USB设备驱动 访问 USB设备；APP也可以使用 libusb 库 直接通过USB 控制器驱动 访问 USB 设备。 在 libusb 库中 封装了很多 API 函数，进而可以更 便捷的访问 USB 设备。

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🍒 USB 电气信号

接下来 我们将从软件工程师的角度去了解我们需要知道的 USB 电气信号。

USB 2.0 协议支持 3 种速率：低速（1.5Mbps），全速 (12Mbps)， 高速 (480Mbps).

USB Hub, USB 设备 也分为 低速， 全速， 高速三种类型。一个 USB 设备 可能兼容 低速和全速，也可能兼容 高速和全速。但是，不会同时兼容 低速和高速。

USB 设备的状态装切换图：

🍉 USB 硬件线路

下图是一个 USB 设备连接到 Hub 端口的电路图。

对于 Hub端口，在Data+和Data-是没有上拉电阻的，但是有 2 个15K的下拉电阻 Rpd。下面的这个 USB 设备的 Data+ 有一个1.5K的上拉电阻，表明该 USB 设备是全速/高速设备。如果USB 设备的 Data- 有一个1.5K的上拉电阻，表明该 USB 设备是低速设备。

简单来讲，对于 USB 设备只需要 4 条线：电源（5V），GND, Data+, Data-。 只通过 Data+, Data- 这两条线传输数据。

数据线 D+ 和 D- 只能表示 4 种状态，在 USB 协议中 就是使用这两条线路 实现了 空闲(Idle)，开始(start)，传输数据(Data)，结束(EOP) 等功能。

🍉 信号电平

这里只介绍 低速/全速信号电平， D+ ，D- 就是数据线 Data+ 和 Data-。

4 种基础状态：

- Differential "1" （差分状态 1） ：通常，D+ 比 D- 高至少 200mV。
- Differential "0" （差分状态 0）：通常，D- 比 D+ 高至少 200mV。
- SE0 (单端0) : D+ = D- = 低电平，常用于总线复位 。
- SE1 (单端1) : D+ = D- = 高电平 ，常用于错误检测，若检测到SE1，接收端会标记为错误。

衍生出的几种状态：

- Data J State (J 状态)
- Data K State (K 状态)
- Idle state (空闲) ：对于 低/全 设备，空闲态时都处于 J 状态。
- Resest 复位:  通过 SE0 状态维持10ms来触发复位。
- SOP 是 “包” 开始的信号。 EOP 是 “包” 结束的信号。 这些后面会详细讲解。

🍉 断连状态

Hub 端口的 D+，D- 分别连接 15K的下拉电阻。对于 全/高速 设备 D+ 端连接 1.5K 的上拉电阻，而对于 低速 设备 D- 端连接 1.5K的上拉电阻，不同速率的 USB 设备连接到 Hub 端口时会导致 Hub 的 D+或 D- 电平变化。可以根据Hub 引脚的电平变化 来判断是什么设备的连接。

设备的连接：

1. 全/高速设备 连接时，D+ 电平由低 -> 高：（高速设备 起初 是作为 全速设备被识别的）
   

2. 低速设备 连接时，D- 电平由低 -> 高：
   

设备的断开：

1. 全速 设备 断开时， D+ 电平由高 -> 低。
   低速 设备 断开时， D- 电平由高 -> 低。

2. 对于 高速 设备，是作为 全速 设备被发现的。

当 主机 确定连接的 USB 设备支持 全速时，就会触发 高速协商。如果 USB设备支持 高速， 并且主机也支持 高速，那就转换为 高速传输（即断开USB设备 D+的上拉电阻）。如果不支持高速，那还是保持全速传输。

高速协商：Hub 端口发出 SE0 信号，就是复位信号。USB设备检测到 SE0 信号后，就会发出 高速握手信号（Chirp K 信号）。Hub 端检测到 K 信号后 就会发出 " Chirp K " " Chirp J " 信号去告诉USB设备 Hub 端也可以支持 高速传输。

🍉 数据包的结构

在USB设备中，数据传输的基本单位是 “ 包 ” ，下图是一个 “包” 的基本结构。

1. SOP ：Start Of Packet, 包的开始。即 Hub 驱动 D+, D- 两条线路从 Idle 状态变为 K 状态。

上面在信号电平处 提到了对于 全/低速设备 Idle状态 是 J 状态。而 J 状态和 K 状态的电平是相反的。所以当电平状态 处于由 J -> K 的交点时 是 SOP。

2. SYNC : 用于接收端时钟同步。SOP 中转变的 K 状态 就是 SYNC 的 第一位数据， SYNC 的格式是 3对 KJ + 2个K。

3. Packet Content : 数据包。包含 PID（包类型） + 地址/帧号/数据 + CRC（校验）。这里的 地址，帧号，数据 不会同时存在。

4. EOP : End of Packet，包的结束。D+，D- 先设置位 SE0 状态并保持 2 位时间，再设置位 J 状态 并维持 1 位时间，最后 D+， D- 变成高阻状态，这时由线路的上下拉电阻使得总线进入 Idle 状态。
   

大家可以先了解一下 “ 包 ” 的结构，下一篇文章将详细讲解各个部分。

🍉 NRZI 与位填充

位填充规则：

• 在发送数据时，如果连续出现 5 个 1，发送端会自动插入一个 0。
• 接收端在检测到连续 5 个 1 后，会检查第 6 位。如果是 0，则将其移除；如果是 1，则视为错误。

作用：防止数据中出现过长的连续 1，从而提高传输的可靠性。例： 
原数据 1111110（连续 6 个 1）
现数据 11111010

NRZI （反向不归零编码）规则：

• 对于数据 0，波形翻转；对于数据 1，波形不变。

可观察下图，当下一个数据是 0 时，电平翻转。当下一个数据是 1 时， 电平不变。

先 位填充，再 反向不归零反转。

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总结

下一篇文章 继续为大家介绍 USB 的协议层数据格式 以及 USB 描述符 。