USB2.0设备检测过程信号分析

1.简介

USB设备接入的Hub端口负责检测USB2.0设备是否存在和确定USB2.0设备的速度。检测设备是否存在和确定设备速度涉及一系列的信号交互，下面将分析该过程。

2.硬件

USB低速设备和全速/高速设备的连接器在硬件结构上有所不同，而主机或者Hub接收端连接器的D+、D-接有15K的下拉电阻。

2.1.Low-speed

USB低速设备连接器的D-接有1.5K的上拉电阻。

2.2.Full-/High-speed

USB高速设备连接器的D+接有1.5K的上拉电阻。

3.信号电平

在分析USB2.0设备的检测过程之前，需要先了解一下低速、全速、高速设备信号电平及电气参数。

3.1.Low-/Full-speed

低速、全速设备使用电压信号，总线状态对应的电平范围如下表所示。

低速、全速设备的关键电平范围如下表所示。

低速、全速设备的数据信号电平范围的示意图如下所示。

3.2.High-speed

高速设备使用电流信号，总线状态如下表所示。

高速设备的关键电平范围如下表所示。

4.检测过程

Hub识别设备的过程，同时也是检测设备速度的过程，具体流程如下：

1. 由于低速设备D-接有1.5K上拉电阻，当设备接入Hub时，Hub的D-会被拉高，此时Hub会检测到有低速设备接入，而全速和高速设备D+接有1.5K上拉电阻，当USB设备接入USB Hub时，Hub的D+会被拉高，此时Hub会检测到有全速或高速设备接入。D-或D+拉高最少为2V。
2. 当D-或D+被拉高后，主机识别到有设备接入，会将D+和D-拉到低于0.3V，使总线处于SE0状态，并持续2.5us以上，将设备复位。此时Hub已经能区分低速和全速/高速设备。
3. 若是高速设备，则会向D-灌入电流，在总线上形成Chirp K状态，至少持续1毫秒，但不超过7毫秒。Hub检测到Chirp K信号持续的时间至少为2.5微秒。若Hub没检测到Chirp K信号或Hub只支持低速或全速，则会一直保持SE0状态，直到复位完成。
4. 若Hub支持高速，则在总线退出Chirp K状态的100微秒内，Hub开始发送交替的Chirp K和Chirp J序列（K-J-K-J-K-J），Chirp K和Chirp J状态必须连续，无空闲状态。Chirp K和Chirp J序列持续时间范围为100微秒-500微秒。每个Chirp K和Chirp J持续的时间不小于40微秒，不超过60微秒（Hub发送交替的Chirp K和Chirp J序列的目的是使总线保持活跃状态，避免设备进入Suspend状态）。
5. 如果设备检测到了Hub发送的Chirp K和Chirp J序列，设备将在500微秒内断开D+的上拉电阻，使能高速功能并进入高速默认状态。如果设备在1毫秒-2.5毫秒内没检测到Hub发送的Chirp K和Chirp J序列，设备将进入全速状态并等待复位完成。

下图是使用示波器抓到的USB2.0设备检测过程的波形图。

参考资料

1. https://www.bilibili.com/read/cv23983705/
2. https://blog.csdn.net/weixin_51028584/article/details/130922300
3. https://blog.csdn.net/nm19920223/article/details/132587381