USB系统体系笔记

看了一下《USB系统体系》，写个笔记。

1. USB 设计目标

1.1. 存在问题

早期的设备规范中，需要用到IRQ(中断)/DMA(直接存储器存取)/输入输出地址的有限资源，不支持热插/拔，和因接口设计的原因要开机箱才能装载设备和跳线配置（SISC外设解决了部分问题）

1.2. USB目标

• l 同一类型的连接器能接任何类型的设备
• l 可以将多个设备连接到同一个连接器
• l 能够缓解系统资源冲突
• l 热插拔支持
• l 自动检测并配置
• l 低成本
• l 提升性能
• l 支持连接新的外围设计
• l 支持传统的硬件和软件
• l 低耗电运行

2. 现状

2.1. 版本

USB 1.0, USB 1.1, USB 2.0

2.2. 设备类型

低速 (1.5Mb/s)、全速(12Mb/s)，高速(480Mb/s )

3. 数据传送

3.1. 事务

USB 1.x 系统通过传输描述符生成USB事务。每个描述符定义一个USB事务，规定如何访问USB设备的步骤。

描述符包括：

• l USB设备地址
• l 执行的事务类型
• l 传输大小
• l 处理速度
• l 数据缓冲区地址

3.2. 帧

USB1.1中，主机在1ms的时间段内(叫帧)执行一组描述符。

每一个1ms帧在12Mb/s速率下有12000人位，事务以这个速率执行。

USB 2.0中，高速事务在125微秒下执行，叫微帧。

3.3. 传输类型

• l 同步传输
• l 批量传输
• l 中断传输
• l 控制传输

4. 电缆与连接器

连接器

A系列－－连接USB端口和外设电缆

B系列－－连接可分离外设电缆和USB外设（小波型系列 Mini-B）

每种连接器有四个触点：外面一组加电，内面一组传送差动数据。

电源触点比数据触点长，保证在数据交换前USB设备获得电流（电源引脚7.41毫米，数据引脚6.41毫米）。

连接器引脚设计

引脚号	信号名称	电缆导线颜色
1	电源	红
2	反相数据	白
3	正向数据	绿
4	接地	黑

5. 配电

USB端口开始时只提供100ma电流，配置后最大500ma。

6. 低速/全速设备

6.1. 差动信号

USB传输数据包使用差动信号来减少不同信号源的干扰。

6.2. 双向不归零编码

遇到0转换，遇到1保持。连续6个1时进行位填充，插入0；接收器收到6个1时识别一个自动跳转，抛弃这个0位。

7. 包和事务

事务一般包括3个包：令牌包、数据包、握手应答包。

令牌包

定义目标设备、终端点数目、数据传输方向。

4种：

• l SOF －－帧起始符，指示下一帧的起始
• l IN  －－从目标设备传送数据到系统
• l OUT－－从系统传送数据到目标设备
• l SETUP－－控制传输的开始

数据包

携带和传输类型有关的有效载荷大小的数据包。同步传输时最大1023字节，其他类型时最大64字节有效载荷。

DATA0, DATA1两种，交替使用。

握手应答包

证实数据成功传输。

• l ACK－－确认包
• l NAK－－否定确认包，暂时不能接收数据
• l STALL－－目标设备报告不能完成传输

8. 错误恢复

包错误

总线超时

错误的包结束符

数据切换错误

设备串扰

活动损耗(LOA)

串扰和LOA的检测和恢复

传输(不保证交付)

中断传输的错误恢复

批量传输的错误恢复

控制传输的错误恢复

9. 节电模式

3毫秒空闲挂起；消耗不超过500微安；

可以全局挂起、选择性挂起。

10. 高速设备

新的控制器。

理论480M bit/s 传输速度。

高速设备可连接到1.x的集线器端口，并以全速访问。

11. 传输、事务

周期性事务在125微秒完成。

新增PING事务。

12. 错误检测

高速环境中的错误检测和恢复:

• l 和低速、全速环境相同的包错误检测。
• l 事务的超时同样包括环路延时，延时时间由高速传输位时间计算。
• l EOF1 和 EOF2 串扰设备检测和1.x相同原则，但是EOF抽样点参考高速位时间。
• l 包检测和报告由于要支持分解传输而进行必要调整。

13. 挂起和恢复

高速设备使用全速机制进行挂起和恢复。为了使用全速恢复信号，高速设备必须在进入挂起状态时转换成全速操作，并且在回到高速操作时自动恢复高速信号。

14. 高速集线器

在高速模式下，集线器必须支持低速、全速、高速设备。

高速集线器连接到全速端口时，必须像1.x工作。

主机软件发送分解事务到连接在高速集线器端口的低速、全速设备。分解事务只用来在主机控制器和高速集线器之间通信。分解事务的实际接收者是事务翻译器，由它来将高速分解事务为设备的低速或全速事务。

分解事务执行有：开始分解和完成分解。

高速集线器连接到高速端口，并且有1个或以上高速设备连接时，它直接在两个方向上执行转发功能。和1.x有以下差别：

• l 检测到高速包前，2.0集线器会进行静噪。这样要求一定时间来启用接收器，会从开始包中丢失一些位。
• l 当2.0集线器收到数据包，它向下一个设备发送数据的时候要重新锁定时钟。
• l 重新锁定数据要求缓存一些数据包。

15. USB2.0设备配置

USB描述符

• l 设备描述符
• l 配置描述符
• l 接口描述符
• l 端点描述符
• l 字符串描述符
• l 特殊类描述符

16. 软件概述