USB 挂起和恢复介绍

一. 概述

        常见的 USB 设备如键盘鼠标都需做睡眠唤醒功能，其目的是电源管理降低功耗。实现该功能主要涉及到 USB 挂起（Suspend）、恢复（Resume）、远程唤醒（Remote Wakeup）等。本文将会简要介绍其相关概念，并且基于 NXP LPC5528 Mouse 挂起恢复例程描述其睡眠唤醒关键代码。

 二. 设备挂起（Suspend）

       在 USB 系统中，正常状态下 hub 或 root hub 会一直周期性地发送 SOF 包（Start Of Frame，全速 USB 每 1ms 发送一个，高速 USB 则 125µs 发送一个)。若 USB 线上一直处于空闲状态超过 3ms，设备则认为这是一个挂起信号，设备需要在 10ms 内进入挂起状态，并把所需的电流大小降到规定的值。当 USB 设备处于挂起状态时，它仍然为其 D+或 D-上拉电阻器供电，以保持空闲状态并保持其内部状态，包括地址和配置。当它被 USB总线上的恢复信号唤醒时，不再需要经过重新枚举过程。如下图为全速设备 Suspend 总线状态。

 

图 1 全速 USB 设备挂起信号

        对于不同速度的 USB 设备，其规定的差分信号线上 J、K、Idle 等状态的电平会有些不同，下表列出了在低速、全速、高速下 USB 状态对应的电平信号。

图 2  USB 状态电平

三. 设备恢复（Resume）

        在设备处于 Suspend 的状态下，若需要将设备退出 Suspend 状态，主机 host 需要向设备发送持续时间超过 20ms 的 Resume 信号，并且以 EOP 信号结尾，设备将在 Resume 信号结束后醒过来。在设备醒过来后，host 需要在 3ms 内发送 SOF 信号，以维持正常的通信模式，避免设备重新进入 Suspend 状态。对于全速设备恢复信号是全速段中从数据 J 状态到数据 K 状态的变化。

图 3 全速 USB 设备恢复信号

四. 设备远程唤醒（Remote wakeup）

        对于普通的 Resume 唤醒，是由主机 host 唤醒 USB 设备，但同样设备也可以唤醒主机 host，例如电脑休眠时，可以通过 USB 键盘唤醒主机，这种功能称为远程唤醒。使用远程唤醒功能，需要 USB 设备支持远程唤醒功能，并且在配置描述符设置中，将 USB 设备支持远程唤醒能力报告给主机。 通过 USB 设备远程唤醒主机时，USB 设备会生成一个 1ms-15ms 的 Resume 信号，host 在 1ms 内捕获到该信号，并且主机控制器对唤醒操作进行接管，继续产生 Resume 信号直到 20ms，并以 EOP 信号结尾，完成对设备的唤醒。如下图为全速设备 Remote Wakeup 总线状态。

图 4 全速 USB 设备远程唤醒信号

        需要注意：

• USB 设备的Remote Wakeup 是可选的，对应配置描述符 bmAttributes 字段的 D5 标识。
• 支持远程唤醒的USB设备必须支持USB的标准请求 CLEAR_FEATURE 和 SET_FEATURE。
• USB 主机通过 SET_FEATURE（DEVICE_REMOTE_WAKEUP）请求使用 USB 设备的远程唤醒功能，其请求的时间在发送设备挂起之前。如果主机并未发送使能远程唤醒特性，设备端不允许执行远程唤醒功能，虽然其支持

五. LPC5528 睡眠唤醒相关编程代码

硬件平台：LPC5528 开发板

参考例程：dev_suspend_resume_hid_mouse_bm
例程功能：枚举为一个鼠标设备， USB suspend 时设备进入低功耗模式，主机可以恢复设备退出低功耗，按动开发板按键设备可以远程唤醒主机。
实现的关键代码：
1. 配置描述符支持远程唤醒功能，USB 设备通过配置描述符 bmAttributes 字段的 D5 标识支持远程唤醒。

图 5 配置描述符代码

2. 加入 LPC5528 SDK USB 代码底层已定义好的 suspend、resume、remotewake 接口函数，底层检测总线状态将会触发对应事件。

图 6 睡眠唤醒接口代码

3. 睡眠唤醒状态机的操作逻辑 USB_DeviceSuspendResumeTask（）函数，包含从 Idle、Suspend、Resume 等各个阶段状态对应处理，是实现功能的主要函数。其中芯片进入深度睡眠模式 POWER_EnterDeepSleep( ) 需要重点注意两个参数，一是 APP_EXCLUDE_FROM_DEEPSLEEP 设置睡眠时不需要关闭的模块，二是 APP_DEEPSLEEP_WAKEUP_SOURCE 设置可以从芯片睡眠中唤醒的唤醒源。

图 7 睡眠唤醒状态机代码

图 8 低功耗时仍运行模块及唤醒源

六. 总结

      本文介绍挂起、恢复、远程唤醒相关概念，描述 LPC5528 睡眠唤醒功能关键代码，其具体实现代码参考 LPC5528 SDK dev_suspend_resume_hid_mouse_bm 例程。

七. 参考资料

1. USB2.0 协议

2. LPC55xx datasheet

3. USB设备挂起Supsend及唤醒Resume实现 - USB中文网

4. USB设备的休眠挂起及远程唤醒 - USB中文网