USB2.0协议中文详解
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USB2.0技术规范(中文)
步数据传输 并且避免的优先级判别的开销 USB 的设备及主机的细节将讲述于后
3.1.1 总线布局技术
USB 连接了 USB 设备和 USB 主机 USB 的物理连接是有层次性的星型结构 每个网络 集线器是在星型的中心 每条线段是点点连接 从主机到集线器或其功能部件 或从集线 器到集线器或其功能部件 从图 3-1 中可看出 USB 的拓扑结构 3.1.1.1 USB 的主机
3.5 健壮性 USB 健壮性的特征在于 使用差分的驱动接收和防护 以保证信号完整性 在数据和控制信息上加了循环冗余码(CRC) 对装卸的检测和系统级资源的设置 对丢失或损坏的数据包暂停传输 利用协议自我恢复 对流数据进行控制 以保证同步信号和硬件缓冲管理的安全 数据和控制通道的建立 使功能部件的相互不利的影响独立开 消除了负作用
3.3.2 电源管理 USB 主机与 USB 系统有相互独立的电源管理系统 USB 的系统软件可以与主机的能源
管理系统结合共同处理各种电源子件如挂起 唤醒 并且有特色的是 USB 设备应用特有 的电源管理特性 可让系统软件和控制其电源管理
USB 的电源分配和电源管理特性使之可以被设计在电源传感系统中 如采用电池的笔 记本电脑
1.4 本书结构 第一章至第四章为读者提供了一个纲要 第五章至第十章则提供了 USB 的所有的具体
技术细节 外设厂家应着眼于第四章至第十章 USB 的主机控制器应用主要参考第四章至第七章和第九 十章 USB 设备驱动厂家主要参考第四 七 九章 Universal Serial Bus Device Class Specification 一书可以作为本书的补充
中速和低速的情况 总的来说 中速的传输是同步的 低速的数据来自交互的设备 USB 设计的初衷是针对桌面电脑而不是应用于可移动的环境下的 软件体系通过对各种主机控 制器提供支持以保证将来对 USB 的扩充
3.1.1 总线布局技术
USB 连接了 USB 设备和 USB 主机 USB 的物理连接是有层次性的星型结构 每个网络 集线器是在星型的中心 每条线段是点点连接 从主机到集线器或其功能部件 或从集线 器到集线器或其功能部件 从图 3-1 中可看出 USB 的拓扑结构 3.1.1.1 USB 的主机
3.5 健壮性 USB 健壮性的特征在于 使用差分的驱动接收和防护 以保证信号完整性 在数据和控制信息上加了循环冗余码(CRC) 对装卸的检测和系统级资源的设置 对丢失或损坏的数据包暂停传输 利用协议自我恢复 对流数据进行控制 以保证同步信号和硬件缓冲管理的安全 数据和控制通道的建立 使功能部件的相互不利的影响独立开 消除了负作用
3.3.2 电源管理 USB 主机与 USB 系统有相互独立的电源管理系统 USB 的系统软件可以与主机的能源
管理系统结合共同处理各种电源子件如挂起 唤醒 并且有特色的是 USB 设备应用特有 的电源管理特性 可让系统软件和控制其电源管理
USB 的电源分配和电源管理特性使之可以被设计在电源传感系统中 如采用电池的笔 记本电脑
1.4 本书结构 第一章至第四章为读者提供了一个纲要 第五章至第十章则提供了 USB 的所有的具体
技术细节 外设厂家应着眼于第四章至第十章 USB 的主机控制器应用主要参考第四章至第七章和第九 十章 USB 设备驱动厂家主要参考第四 七 九章 Universal Serial Bus Device Class Specification 一书可以作为本书的补充
中速和低速的情况 总的来说 中速的传输是同步的 低速的数据来自交互的设备 USB 设计的初衷是针对桌面电脑而不是应用于可移动的环境下的 软件体系通过对各种主机控 制器提供支持以保证将来对 USB 的扩充
USB2.0技术规范(中文)
第 1 章 绪论
1.1 起因 Intel 公司开发的通用串行总线架构(USB)的目的主要基于以下三方面考虑
(一)计算机与电话之间的连接 显然用计算机来进行计算机通信将是下一代计算机基 本的应用 机器和人们的数据交互流动需要一个广泛而又便宜的连通网络 然而 由于目 前产业间的相互独立发展,尚未建立统一标准,而 USB 则可以广泛的连接计算机和电话
1.3 适用对象 该规范主要面向外设开发商和系统生产商 并且提供了许多有价值的信息给操作系
统/BIOS/设备驱动平台 IHVS/ISVS 适配器 以及各种计算机生产厂家使用 该 USB 版本的规范可以用来设计开发新产品 改进一些经典的模型 并开发相应的
软件 所有的产品都应遵循这个规范——USB 1.1
支持多功能的设备
利用低层协议 提高了总线利用率
同步传输带宽
确定的带宽和低延迟适合电话系统和音频的应用
同步工作可以利用整个总线带宽 灵活性
直接一系列大小的数据包 允许对设备缓冲器大小的选择 通过指定数据缓冲区大小和执行时间 支持各种数据传输率 通过协议对数据流进行缓冲处理 健壮性 出错处理/差错恢复机制在协议中使用 对用户感觉而言 热插拔是完全实时的 可以对有缺陷设备进行认定 与 PC 产业的一致性 协议的易实现性和完整性 与 PC 机的即插即用的体系结构的一致 对现存操作系统接口的良好衔接 价廉物美 以低廉的价格提供 1.5 兆比特率的子通道设施 将外设和主机硬件进行了最优化的集成 促进了低价格的外设的发展 廉价的电缆和连接头 运用了商业技术 升级路径 体系结构的可升级性支持了在一个系统中可以有多个 USB 主机控制器
终端用户的易用性
为接缆和连接头提供了单一模型
电气特性与用户无关
自我检测外设 自动地进行设备驱动 设置
1.1 起因 Intel 公司开发的通用串行总线架构(USB)的目的主要基于以下三方面考虑
(一)计算机与电话之间的连接 显然用计算机来进行计算机通信将是下一代计算机基 本的应用 机器和人们的数据交互流动需要一个广泛而又便宜的连通网络 然而 由于目 前产业间的相互独立发展,尚未建立统一标准,而 USB 则可以广泛的连接计算机和电话
1.3 适用对象 该规范主要面向外设开发商和系统生产商 并且提供了许多有价值的信息给操作系
统/BIOS/设备驱动平台 IHVS/ISVS 适配器 以及各种计算机生产厂家使用 该 USB 版本的规范可以用来设计开发新产品 改进一些经典的模型 并开发相应的
软件 所有的产品都应遵循这个规范——USB 1.1
支持多功能的设备
利用低层协议 提高了总线利用率
同步传输带宽
确定的带宽和低延迟适合电话系统和音频的应用
同步工作可以利用整个总线带宽 灵活性
直接一系列大小的数据包 允许对设备缓冲器大小的选择 通过指定数据缓冲区大小和执行时间 支持各种数据传输率 通过协议对数据流进行缓冲处理 健壮性 出错处理/差错恢复机制在协议中使用 对用户感觉而言 热插拔是完全实时的 可以对有缺陷设备进行认定 与 PC 产业的一致性 协议的易实现性和完整性 与 PC 机的即插即用的体系结构的一致 对现存操作系统接口的良好衔接 价廉物美 以低廉的价格提供 1.5 兆比特率的子通道设施 将外设和主机硬件进行了最优化的集成 促进了低价格的外设的发展 廉价的电缆和连接头 运用了商业技术 升级路径 体系结构的可升级性支持了在一个系统中可以有多个 USB 主机控制器
终端用户的易用性
为接缆和连接头提供了单一模型
电气特性与用户无关
自我检测外设 自动地进行设备驱动 设置
USB2.0技术规范(中文)
1.4 本书结构 第一章至第四章为读者提供了一个纲要 第五章至第十章则提供了 USB 的所有的具体
技术细节 外设厂家应着眼于第四章至第十章 USB 的主机控制器应用主要参考第四章至第七章和第九 十章 USB 设备驱动厂家主要参考第四 七 九章 Universal Serial Bus Device Class Specification 一书可以作为本书的补充
3.3.2 电源管理 USB 主机与 USB 系统有相互独立的电源管理系统 USB 的系统软件可以与主机的能源
管理系统结合共同处理各种电源子件如挂起 唤醒 并且有特色的是 USB 设备应用特有 的电源管理特性 可让系统软件和控制其电源管理
USB 的电源分配和电源管理特性使之可以被设计在电源传感系统中 如采用电池的笔 记本电脑
1.3 适用对象 该规范主要面向外设开发商和系统生产商 并且提供了许多有价值的信息给操作系
统/BIOS/设备驱动平台 IHVS/ISVS 适配器 以及各种计算机生产厂家使用 该 USB 版本的规范可以用来设计开发新产品 改进一些经典的模型 并开发相应的
软件 所有的产品都应遵循这个规范——USB 1.1
键盘 鼠标 游戏棒 ISBN PBX POTS
低价格 热插拔 易用性
低价格 易用性 动态插 拔 限定带宽和延迟
高速
音频 磁盘
高带宽 限定延迟 易用性
音频 磁盘
25-500Mb/s
表 2-1
2.3 特色
USB 的规范能针对不同的性能价格比要求提供不同的选择 以满足不同的系统和部件
及相应不同的功能 其主要特色可归结为以下几点
4总线协议总线协议usb总线属一种轮讯方式的总线主机控制端口初始化所有的数据传输每一总线执行动作最多传送三个数据包时主机控制器发送一个描述传输运作的种类包这个数据包通常称为标志包tokenpacket取出属于自己的数据数据传输方向不是从主机到设备就是从设备到主机时由标志包来标志数据的传输方向数据传送接收端也要相应发送一个握手的数据包表明是否传送成功间的usb数据传输在主机和设备的端口之间流和消息流的数据不像消息的数据传送服务类型端口特性如方向和缓冲区大小即存在usb中有一个特殊的通道缺省控制通道存在从而为设备的设置查询状况和输入控制信息提供一个入口事务预处理允许对一些数据流的通道进行控制估或低估通过发送不确认握手信号从而阻塞了数据的传输速度两种模式可在用同一usb总线传输的情况下自动地动所以该模式只支持有限个低带时钟信号被转换成nrzi每一数据包中附有同步信号以使得收方可还原出向设备提供电源通过选择合适的导线长度以匹配指定的irdrop和为了保证足够的输入电压和终端阻抗在每个端口都可检测终端是否连接或分离vbus使用5v电源usb对重并区分出高所有设备都有一个上行的连接这样就避免了集线器间的非法的循环往复的连接一对符合标准的电源线并有易拆装的特性上行连接电连接器有四个方usb的系统软件和设备如何与主机协调工作主机对那种直接相连的usb设备提供电那些完全依靠电缆提供能源的设备自供电受一定布局限制的带有键盘输入笔和鼠标均为设备而且集线器总线供总线供能usb的系统软件可以与主机的能源并且有特色的是唤醒usb设备应用特有如采用电池的笔按照传输前制定好的原则方向usb设备地址和终端号的usb数据usb设备从解码后的数据包的适当位置在每次传送开始在传输开始然后发送端开始发送包含信息的数据包或表明没有发送端和接收端之存在两种类型的通道而且通道与数据带宽多数通道在usb设备设置完成后它属于消息通道从而在硬件级上防止了对缓冲区的高当不确认信号发过后可视为一个通道它没有usb所定义的结构有关当设备一启动即若总线有空闲质的流通道同时正常工作包3
技术细节 外设厂家应着眼于第四章至第十章 USB 的主机控制器应用主要参考第四章至第七章和第九 十章 USB 设备驱动厂家主要参考第四 七 九章 Universal Serial Bus Device Class Specification 一书可以作为本书的补充
3.3.2 电源管理 USB 主机与 USB 系统有相互独立的电源管理系统 USB 的系统软件可以与主机的能源
管理系统结合共同处理各种电源子件如挂起 唤醒 并且有特色的是 USB 设备应用特有 的电源管理特性 可让系统软件和控制其电源管理
USB 的电源分配和电源管理特性使之可以被设计在电源传感系统中 如采用电池的笔 记本电脑
1.3 适用对象 该规范主要面向外设开发商和系统生产商 并且提供了许多有价值的信息给操作系
统/BIOS/设备驱动平台 IHVS/ISVS 适配器 以及各种计算机生产厂家使用 该 USB 版本的规范可以用来设计开发新产品 改进一些经典的模型 并开发相应的
软件 所有的产品都应遵循这个规范——USB 1.1
键盘 鼠标 游戏棒 ISBN PBX POTS
低价格 热插拔 易用性
低价格 易用性 动态插 拔 限定带宽和延迟
高速
音频 磁盘
高带宽 限定延迟 易用性
音频 磁盘
25-500Mb/s
表 2-1
2.3 特色
USB 的规范能针对不同的性能价格比要求提供不同的选择 以满足不同的系统和部件
及相应不同的功能 其主要特色可归结为以下几点
4总线协议总线协议usb总线属一种轮讯方式的总线主机控制端口初始化所有的数据传输每一总线执行动作最多传送三个数据包时主机控制器发送一个描述传输运作的种类包这个数据包通常称为标志包tokenpacket取出属于自己的数据数据传输方向不是从主机到设备就是从设备到主机时由标志包来标志数据的传输方向数据传送接收端也要相应发送一个握手的数据包表明是否传送成功间的usb数据传输在主机和设备的端口之间流和消息流的数据不像消息的数据传送服务类型端口特性如方向和缓冲区大小即存在usb中有一个特殊的通道缺省控制通道存在从而为设备的设置查询状况和输入控制信息提供一个入口事务预处理允许对一些数据流的通道进行控制估或低估通过发送不确认握手信号从而阻塞了数据的传输速度两种模式可在用同一usb总线传输的情况下自动地动所以该模式只支持有限个低带时钟信号被转换成nrzi每一数据包中附有同步信号以使得收方可还原出向设备提供电源通过选择合适的导线长度以匹配指定的irdrop和为了保证足够的输入电压和终端阻抗在每个端口都可检测终端是否连接或分离vbus使用5v电源usb对重并区分出高所有设备都有一个上行的连接这样就避免了集线器间的非法的循环往复的连接一对符合标准的电源线并有易拆装的特性上行连接电连接器有四个方usb的系统软件和设备如何与主机协调工作主机对那种直接相连的usb设备提供电那些完全依靠电缆提供能源的设备自供电受一定布局限制的带有键盘输入笔和鼠标均为设备而且集线器总线供总线供能usb的系统软件可以与主机的能源并且有特色的是唤醒usb设备应用特有如采用电池的笔按照传输前制定好的原则方向usb设备地址和终端号的usb数据usb设备从解码后的数据包的适当位置在每次传送开始在传输开始然后发送端开始发送包含信息的数据包或表明没有发送端和接收端之存在两种类型的通道而且通道与数据带宽多数通道在usb设备设置完成后它属于消息通道从而在硬件级上防止了对缓冲区的高当不确认信号发过后可视为一个通道它没有usb所定义的结构有关当设备一启动即若总线有空闲质的流通道同时正常工作包3
usb2.0的协议及规范
Usb2.0的协议规范第1章绪论1.1 起因Intel公司开发的通用串行总线架构(USB)的目的主要基于以下三方面考虑：(一)计算机与电话之间的连接：显然用计算机来进行计算机通信将是下一代计算机基本的应用。
机器和人们的数据交互流动需要一个广泛而又便宜的连通网络。
然而，由于目前产业间的相互独立发展,尚未建立统一标准,而USB则可以广泛的连接计算机和电话。
(二)易用性：众所周知,PC机的改装是极不灵活的。
对用户友好的图形化接口和一些软硬件机制的结合，加上新一代总线结构使得计算机的冲突大量减少，且易于改装。
但以终端用户的眼光来看，PC机的输入/输出，如串行/并行端口、键盘、鼠标、操纵杆接口等，均还没有达到即插即用的特性，USB正是在这种情况下问世的。
(三)端口扩充：外围设备的添加总是被相当有限的端口数目限制着。
缺少一个双向、价廉、与外设连接的中低速的总线，限制了外围设备(诸如电话/电传/调制解调器的适配器、扫描仪、键盘、PDA)的开发。
现有的连接只可对极少设备进行优化，对于PC机的新的功能部件的添加需定义一个新的接口来满足上述需要，USB就应运而生。
它是快速、双向、同步、动态连接且价格低廉的串行接口，可以满足PC机发展的现在和未来的需要。
1.2 USB规范的目标本书规范了USB的工业标准。
该规范介绍了USB的总线特点、协议内容、事务种类、总线管理、接口编程的设计，以及建立系统、制造外围设备所需的标准。
设计USB的目标就是使不同厂家所生产的设备可以在一个开放的体系下广泛的使用。
该规范改进了便携商务或家用电脑的现有体系结构，进而为系统生产商和外设开发商提供了足够的空间来创造多功能的产品和开发广阔的市场，并不必使用陈旧的接口，害怕失去兼容性。
1.3 适用对象·该规范主要面向外设开发商和系统生产商。
并且提供了许多有价值的信息给操作系统/BIOS/设备驱动平台、IHVS/ISVS适配器，以及各种计算机生产厂家使用。
USB2.0协议解析
The start of a packet (SOP) is signaled by the originating port by driving the D+ and D- lines from the Idle state to the opposite logic level (K state) The SE0 state is used to signal an end-of-packet (EOP). EOP will be signaled by driving D+ and D- to the SE0 state for two bit times followed by driving the lines to the J state for one bit time.
Device state
Operations
• • • • • • • Dynamic Attachment and Removal Address Assignment Configuration Data Transfer Power Management Request Processing Request Error
Interface
A USB logical device appears to the USB system as a collection of endpoints. Endpoints are grouped into endpoint sets that implement an interface. Interfaces are views to the function. Client software manages an interface using pipe bundles (associated with an endpoint set)
Device state
Operations
• • • • • • • Dynamic Attachment and Removal Address Assignment Configuration Data Transfer Power Management Request Processing Request Error
Interface
A USB logical device appears to the USB system as a collection of endpoints. Endpoints are grouped into endpoint sets that implement an interface. Interfaces are views to the function. Client software manages an interface using pipe bundles (associated with an endpoint set)
usb2.0,协议中文版
当ccpin两个都接了下拉电阻 usbpd是bmc编码的信号，而之前的usb则是Fsk，所以存在不兼容，不知道目前市面上有没有能转换的产品。
usbpd是在ccpin上传输，pd有个Vdm(Vendordefinedmessage)功能，定义了装置端id，读到支持dp或pcie的装置，dFp就进入替代（alternate）模式。
如果dFp认到deviitch，让type-cusb3.1信号脚改为
传输dp信号。aux辅助由type-c的sbu1,sub2来传。hpd是检测脚，和cc差不多，所以共用。而dp有lane0-3四组差分信号,type-c有Rx/tx1-2也是四组差分信号，所以完全替代没问题。而且在dp协议里的替代模式，可以us(usb2.0,协议中文版)b信号和dp信号同时传输，Rx/tx1传输usb数据，Rx/tx2替换为lane0,1两组数据传输，此时可支持到4k。
这里说一下，usb3.0只有一组Rx/tx，速度是5gb，usbtype-c为了保证正反都可以插就用了两组，但实际上数据传输还是只用了一组Rx/tx,速度就已经达到10gb了。如果后面升级协议，两组都传的话就和displayport一样20gb了。
工作流程
上图dFp(downstreamFacingport)也就是主，uFp(upstreamFacingport)为从。除了dFp、uFp，还有个dRp(dualRoleport)，dRp可以做dFp也可以做uFp。当dpR接到uFp，dRp转化为dFp。当dRp接到dFp，dRp转化为uFp。两个dRp接在一起，这时就是任意一方为dFp，另一方为uFp。在dFp的ccpin有上拉电阻Rp，在uFp有下拉电阻Rd。未连接时，dFp的Vbus是无输出的。连接后，ccpin相连，dFp的ccpin会检测到uFp的下拉电阻Rd，说明连接上了，dFp就打开Vbus电源开关，输出电源给uFp。而哪个ccpin（cc1，cc2）检测到下拉电阻就确定接口插入的方向，顺便切换Rx/tx。
usbpd是在ccpin上传输，pd有个Vdm(Vendordefinedmessage)功能，定义了装置端id，读到支持dp或pcie的装置，dFp就进入替代（alternate）模式。
如果dFp认到deviitch，让type-cusb3.1信号脚改为
传输dp信号。aux辅助由type-c的sbu1,sub2来传。hpd是检测脚，和cc差不多，所以共用。而dp有lane0-3四组差分信号,type-c有Rx/tx1-2也是四组差分信号，所以完全替代没问题。而且在dp协议里的替代模式，可以us(usb2.0,协议中文版)b信号和dp信号同时传输，Rx/tx1传输usb数据，Rx/tx2替换为lane0,1两组数据传输，此时可支持到4k。
这里说一下，usb3.0只有一组Rx/tx，速度是5gb，usbtype-c为了保证正反都可以插就用了两组，但实际上数据传输还是只用了一组Rx/tx,速度就已经达到10gb了。如果后面升级协议，两组都传的话就和displayport一样20gb了。
工作流程
上图dFp(downstreamFacingport)也就是主，uFp(upstreamFacingport)为从。除了dFp、uFp，还有个dRp(dualRoleport)，dRp可以做dFp也可以做uFp。当dpR接到uFp，dRp转化为dFp。当dRp接到dFp，dRp转化为uFp。两个dRp接在一起，这时就是任意一方为dFp，另一方为uFp。在dFp的ccpin有上拉电阻Rp，在uFp有下拉电阻Rd。未连接时，dFp的Vbus是无输出的。连接后，ccpin相连，dFp的ccpin会检测到uFp的下拉电阻Rd，说明连接上了，dFp就打开Vbus电源开关，输出电源给uFp。而哪个ccpin（cc1，cc2）检测到下拉电阻就确定接口插入的方向，顺便切换Rx/tx。
usb2.0 协议层 (中文版)
图 8-2 地址字段
8.3.2.2端口字段 如图 8-3 所示，附加的 4 位的端口（ ENDP ）字段在功能部件需要一个以上端口时 候允许更灵活的寻址。除了端口地址 0 之外，端口个数是由功能部件决定的。端口 字段只对输入，建立和输出标记 PID 有定义。所有的功能能部件最多提供 3 个管道：
图 8-1 PID 格式
主机和所有功能部件都必须对得到全部 PID 字段实行完整的译码。任何收到包标识 符，如果含有失败的校验字段，或者经译码得到未定义的值，则该包标识符被假定是
1
被损坏的，而且包的余项将被包接收机忽略。如果一个功能部件收到了包含了它所不
支持的事务类型或方向的合法包标识符，则不必应答。例如，只能输入的端口（IN-only
图 8-5 标记包格式
如上图所示，标记包包括了覆盖地址和端口字段的 5 位 CRC 。CRC 并不覆盖 PID, 因为它有自己的校验字段。标记和帧开始 (SOF) 包是由小包）界定的 3个个字节的 包字段数据后面的包结束（ EOP ，结束。如果包被译码为合法标记或 SOF ，但却没 有在 3 个字节之后以 EOP 终止，则它被认为是无效的，并被接收器忽略。 8.4.2 数据分割特殊标记包 USB为数据分割传输定义了特殊的标记：SPLIT。与其他普通的三字节标记包不同，这 是一个四字节的标记包。数据分割传输标记包提供了携带额外特殊传输信息的更多的 传输字节。数据分割传输标记用来支持主机控制器与处于高速运转状态的集线器之间
帧开始标记和帧号
建立（装备）
在主机到功能部件建立一个控制管道的 事务中有地址+ 端口号
数据
数据 0
0011B 偶数据包 PID
（数据） （ DATA0 ）
数据 1
USB2.0电气特性
HS_Drive_Enable 使电流流向数据线。）这种方法不妥之处在于，这个
17.78 mA 的固定电流总是在系统中的收发器上存在（被消耗）。
优先选用的设计是，在收发器不进行发射时，完全地关闭这个电流
源。
高速差分数据接 高速差分数据接收器用作高速数据的接收，它让收发器设计者去选择到
收器
底是如图 7-1 所示的综合分离的高速和低/全速驱动器，还是在单一一个
状态。而当信号幅值≤525mv 时，则不能指示断开。该检波器的输出在
传输高速 SOF EOP 之间的某个特定的时刻采样，如 7.1.7.3 节描述。
上拉电阻（RPU） 该电阻仅要求在上行收发器上使用，用来指示信号传输速率。高速设备 一开始是当作全速设备识别的，并且必须转到高速模式上来，正如该规
格书所阐述的那样。当工作在高速模式时，1.5k 欧姆电阻必须从电路上
允许接收器在 12bit 时间内检测到信号传输，完成 DLL 加锁，以及检测
到同步场的结束阶段，接收器必须能保证观测到最少数目的同步位。该
包络检波器还必须综合一个滤波机制，阻止在接收器眼图规格中允许的
最长差分数据转换时指示静噪，
断开包络检波器 该包络检波器在下行端口中用来检测线上的高速断开状态（VHSDSC）。当 下行驱动器的连接器上的差分信号的幅值≥625mv 时，必须指示为断开
李文荣 liwr_mail@
2008-7-21
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第 7 章：电气特性
这章内容阐述了 USB 的电气特性。它包含了信号处理，功率分配和物理层规范。这篇 文章并不是专注于规范一致。这是产品设计者的责任，即保证他们自己的设计能和所有的应 用的规范要求相一致。
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18
USB 数据流模型
USB 体系在实现时采用分层的结构
19
USB 数据流模型
在 HSOT端，应用软件（Client SW）不能直接访问 USB 总
线，而必须通过USB系统软件和USB主机控制器来访问 USB 总线，在 USB总线上和USB 设备进行通讯。 从逻辑上可以分为功能层、设备层和总线接口层三个层次。
9
USB 体系简介
包
包的基本格式
同步字段 (SYNC)
PID 字段
数据 字段
CRC 字段
包结尾字段 (EOP)
10
USB 体系简介
令牌(token)包
8位 SYNC PID
8位
7位
4位 ENDP
5位 CRC5
PID
ADDR
11
USB 体系简介
数据包 8位/32 位 SYNC
8位 PID
23
USB 数据流模型
USB 接口扩展
USB HUB提供了一种低成本、低复杂度的USB 接口扩展方法。HUB
的上行PORT 面向 HOST，下行 PORT 面向设备（HUB 或功能设备）。 在下行 PORT 上，HUB 提供了设备连接检测和设备移除检测的能力， 并给各下行PORT供电。 HUB可以单独使能各下行PORT，不同PORT 可以工作不同的速度等 级（高速/全速/低速）。
21
USB 数据流模型
USB 端点、管道和接口的关系。
USB 系统中数据的传输，宏观的看来是在HOST 和 USB 功能设备之间进行；微观的看是在应用软件的 Buffer 和 USB 功能设备的端点之间进行。一般来说端 点都有 Buffer，可以认为USB通讯就是应用软件Buffer 和设备端点Buffer之间的数据交换，交换的通道称为管 道。 应用软件通过和设备之间的数据交换来完成设备的控制 和数据传输。通常需要多个管道来完成数据交换，因为 同一管道只支持一种类型的数据传输。 用在一起来对设备进行控制的若干管道称为设备的接口;
各应用软件-功能设备对之间的通讯相互独立，应用软件 通过USB设备驱动程序(USBD)发起 IRQ 请求，请求数 据传输。 主机控制器驱动程序（HCD）接收 IRQ 请求，并解析成 为 USB传输和传输事务（Transaction），并对 USB 系 统中的所有传输事务进行任务排定 （因为可能同时有多 个应用软件发起 IRQ 请求）。 主机控制器（Host Controller）执行排定的传输任务， 在同一条共享的 USB 总线上进行数据包的传输。如右图 所示。
一个 USB 设备可以包括若干个端点，不同的端 点以端点编号和方向区分。不同端点可以支持不 同的传输类型、访问间隔以及最大数据包大小。 除端点 0外，所有的端点只支持一个方向的数据 传输。端点 0是一个特殊的端点，它支持双向的 控制传输。管道和端点关联，和关联的端点有相 同的属性，如支持的传输类型、最大包长度、传 输方向等。
从而保证了只有一个设备对被广播的数据包/令牌包作出响应。 握手包表示了传输的成功与否。 数据包：USB 总线上数据传输的最小单位，包括 SYNC、数据及 EOP 三个部分。其中数据的格式针对不同的包有不同的格式。但都以 8 位的 PID 开始。PID 指定了数据包的类型（共 16种）。令牌包即指 PID 为 IN/OUT/SETUP的包。 端点（Endpoint）：是 USB 设备中的可以进行数据收发的最小单元， 支持单向或者双向的数据传输。设备支持端点的数量是有限制的，除 默认端点外低速设备最多支持 2 组端点（2 个输入，2 个输出）， 高速和全速设备最多支持 15 组端点。
功能层完成功能级的描述、定义和行为； 设备级则完成从功能级到传输级的转换，把一次功能级的行为转换
为一次一次的基本传输； USB 总线接口层则处理总线上的Bit流，完成数据传输的物理层实现 和总线管理。途中黑色箭头代表真实的数据流，灰色箭头代表逻辑 上的通讯。
20
USB 数据流模型
物理上，USB设备通过分层的星型总线连接到 HOST，但在逻辑上HUB是透明的，各USB 设备 和HOST直接连接，和 HOST上的应用软件形成 一对一的关系。如下图所示：
任何USB设备一旦上电就存在一个信息管道，即默认的控制管道， USB 主机通过该管道来获取设备的描述、配置、状态，并对设备 进行配置。 USB 设备连接到 HOST 时，HOST必须通过默认的控制管道对其进行 枚举，完成获得其设备描述、进行地址分配、获得其配置描述、进 行配置等操作方可正常使用。USB 设备的即插即用特性即依赖于此。
类（class）请求：
USB 还定义了若干个子类，如HUB 类、大容量存储器类等。不同的类又 定义了若干类请求，该类设备应该支持这些类请求。设备所属类在设备 描述符中可以得到。
厂商请求：
这部分请求并不是 USB 规范定义的，而是设备生产商为了实现一定的功 能而自己定义的请求。
15
USB 体系简介
0~1023字节 16位
PID
DATA
CRC16
• 握手包
8位/32位 SYNC PID 8位
PID
SYNC:Low/Fu ll speed为8 位；Hispeed为32位；
12
USB 体系简介
管道（Pipe） 管道是主机和设备端点之间数据传输的模型，共有两种类型的管道；
无格式的流管道（Stream Pipe） 有格式的信息管道Message Pipe）。
USB 体系采用分层的星型拓扑来连接 所有USB设备
6
USB 体系简介
以 HOST-ROOT HUB为起点，最多支持 7 层（Tier），也就是说任何一 个USB 系统中最多可以允许 5个 USB HUB 级联。一个复合设备 （Compound Device）将同时占据两层或更多的层。 ROOT HUB 是一个特殊的 USB HUB，它集成在主机控制器里，不占用地址。 “复合设备（Compound Device）”可以占用多个地址。所谓复合设备其 实就是把多个功能设备通过内置的 USB HUB 组合而成的设备，比如带录 音话筒的 USB 摄像头等。 一个 USB HOST 最多可以同时支持 128 个地址，地址 0 作为默认地址， 只在设备枚举期间临时使用，而不能被分配给任何一个设备，因此一个 USB HOST 最多可以同时支持 127 个地址，如果一个设备只占用一个地 址，那么可最多支持 127个 USB 设备（含USB HUB）。
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USB 体系简介
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USB 体系简介
USB 采用轮询的广播机制传输数据
所有的传输都由主机发起，任何时刻整个USB体系内仅允许一个数据包的 传输，即不同物理传输线上看到的数据包都是同一被广播的数据包;
USB 采用“令牌包”-“数据包”-“握手包”的传输机制
在令牌包中指定数据包去向或者来源的设备地址和端点（Endpoint），
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USB 数据流模型
四种传输类型(控制/中断/批量/同步传输)
1. 控制传输： 控制传输是一种可靠的双向传输，一次控制传输可分为三个阶段。 第一阶段为从HOST到Device的SETUP事务传输，这个阶段指定了此次控制传输 的请求类型； 第二阶段为数据阶段，也有些请求没有数据阶段； 第三阶段为状态阶段，通过一次IN/OUT 传输表明请求是否成功完成。 控制传输通过控制管道在应用软件和 Device 的控制端点之间进行，控制传输过程中 传输的数据是有格式定义的，USB 设备或主机可根据格式定义解析获得的数据含义。 其他三种传输类型都没有格式定义。 控制传输对于最大包长度有固定的要求。对于高速设备该值为 64Byte；对于低速设备 该值为 8；全速设备可以是 8或 16或 32或 64。 高速端点的控制传输不能占用超过 20%的微帧，全速和低速的则不能超过 10%的帧。 在一帧内如果有多余的未用时间，并且没有同步和中断传输，可以用来进行控制传输。
USB2.0协USB发展历史
传统的串口、并口通讯方式逐渐不能满足现有系统或者设备的数据传输速 率需求。 以Intel为首的七家公司于1994年推出了USB(Universal Serial Bus，通用 串行总线协议)概念，并在随后的几年内不断的对USB协议进行改进，成功 推行USB 1.1； 2004年底，正式推出了USB 2.0协议。接口与USB1.1兼容； 2007秋季，正式推出了USB 3.0协议。
USB HUB
HUB由HUB重发器（HUB Repeater）、转发器（Transaction Translator）以及HUB 控制器（HUB Controller）三部分组成。 HUB Repeater是上行PORT 和下行PORT之间的一个协议控制的开 关，它负责高速数据包的重生与分发; HUB 控制器负责和 HOST的通信，HOST通过 HUB 类请求和 HUB 控制器通讯，获得关于 HUB 本身和下行 PORT 的 HUB 描述符，进 行HUB和下行PORT 的监控和管理。 转发器提供了从高速和全速/低速通讯的转换能力，通过 HUB 可以在 高速 HOST 和全速/低速设备之间进行匹配。 HUB 在硬件上支持 Reset、Resume、Suspend。
2
序
USB 1.1与USB 2.0之间的差别
3
USB2.0 协议
USB 体系简介 USB 数据流模型
USB 物理规范
USB 电气规范 USB 协议层规范 USB 设备架构； USB 主机：硬件和软件 USB HUB 规范
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USB 体系简介
USB 是一种支持热插拔的高速串行传输总线，使用差分信号来传输数据， 最高速度可达 480Mb/S。 USB 支持“总线供电”和“自供电”两种供电模式。在总线供电模式下， USB2.0设备最多可以获得500mA的电流； USB2.0 被设计成为向下兼容的模式，当有全速 （USB 1.1）或者低速 （USB 1.0）设备连接到高速（USB 2.0）主机时，主机可以通过分离传 输来支持它们。 一条 USB 总线上，可达到的最高传输速度等级由该总线上最慢的“设备” 决定，该设备包括主机、HUB以及USB功能设备。
USB 数据流模型
USB 体系在实现时采用分层的结构
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USB 数据流模型
在 HSOT端，应用软件（Client SW）不能直接访问 USB 总
线，而必须通过USB系统软件和USB主机控制器来访问 USB 总线，在 USB总线上和USB 设备进行通讯。 从逻辑上可以分为功能层、设备层和总线接口层三个层次。
9
USB 体系简介
包
包的基本格式
同步字段 (SYNC)
PID 字段
数据 字段
CRC 字段
包结尾字段 (EOP)
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USB 体系简介
令牌(token)包
8位 SYNC PID
8位
7位
4位 ENDP
5位 CRC5
PID
ADDR
11
USB 体系简介
数据包 8位/32 位 SYNC
8位 PID
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USB 数据流模型
USB 接口扩展
USB HUB提供了一种低成本、低复杂度的USB 接口扩展方法。HUB
的上行PORT 面向 HOST，下行 PORT 面向设备（HUB 或功能设备）。 在下行 PORT 上，HUB 提供了设备连接检测和设备移除检测的能力， 并给各下行PORT供电。 HUB可以单独使能各下行PORT，不同PORT 可以工作不同的速度等 级（高速/全速/低速）。
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USB 数据流模型
USB 端点、管道和接口的关系。
USB 系统中数据的传输，宏观的看来是在HOST 和 USB 功能设备之间进行；微观的看是在应用软件的 Buffer 和 USB 功能设备的端点之间进行。一般来说端 点都有 Buffer，可以认为USB通讯就是应用软件Buffer 和设备端点Buffer之间的数据交换，交换的通道称为管 道。 应用软件通过和设备之间的数据交换来完成设备的控制 和数据传输。通常需要多个管道来完成数据交换，因为 同一管道只支持一种类型的数据传输。 用在一起来对设备进行控制的若干管道称为设备的接口;
各应用软件-功能设备对之间的通讯相互独立，应用软件 通过USB设备驱动程序(USBD)发起 IRQ 请求，请求数 据传输。 主机控制器驱动程序（HCD）接收 IRQ 请求，并解析成 为 USB传输和传输事务（Transaction），并对 USB 系 统中的所有传输事务进行任务排定 （因为可能同时有多 个应用软件发起 IRQ 请求）。 主机控制器（Host Controller）执行排定的传输任务， 在同一条共享的 USB 总线上进行数据包的传输。如右图 所示。
一个 USB 设备可以包括若干个端点，不同的端 点以端点编号和方向区分。不同端点可以支持不 同的传输类型、访问间隔以及最大数据包大小。 除端点 0外，所有的端点只支持一个方向的数据 传输。端点 0是一个特殊的端点，它支持双向的 控制传输。管道和端点关联，和关联的端点有相 同的属性，如支持的传输类型、最大包长度、传 输方向等。
从而保证了只有一个设备对被广播的数据包/令牌包作出响应。 握手包表示了传输的成功与否。 数据包：USB 总线上数据传输的最小单位，包括 SYNC、数据及 EOP 三个部分。其中数据的格式针对不同的包有不同的格式。但都以 8 位的 PID 开始。PID 指定了数据包的类型（共 16种）。令牌包即指 PID 为 IN/OUT/SETUP的包。 端点（Endpoint）：是 USB 设备中的可以进行数据收发的最小单元， 支持单向或者双向的数据传输。设备支持端点的数量是有限制的，除 默认端点外低速设备最多支持 2 组端点（2 个输入，2 个输出）， 高速和全速设备最多支持 15 组端点。
功能层完成功能级的描述、定义和行为； 设备级则完成从功能级到传输级的转换，把一次功能级的行为转换
为一次一次的基本传输； USB 总线接口层则处理总线上的Bit流，完成数据传输的物理层实现 和总线管理。途中黑色箭头代表真实的数据流，灰色箭头代表逻辑 上的通讯。
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USB 数据流模型
物理上，USB设备通过分层的星型总线连接到 HOST，但在逻辑上HUB是透明的，各USB 设备 和HOST直接连接，和 HOST上的应用软件形成 一对一的关系。如下图所示：
任何USB设备一旦上电就存在一个信息管道，即默认的控制管道， USB 主机通过该管道来获取设备的描述、配置、状态，并对设备 进行配置。 USB 设备连接到 HOST 时，HOST必须通过默认的控制管道对其进行 枚举，完成获得其设备描述、进行地址分配、获得其配置描述、进 行配置等操作方可正常使用。USB 设备的即插即用特性即依赖于此。
类（class）请求：
USB 还定义了若干个子类，如HUB 类、大容量存储器类等。不同的类又 定义了若干类请求，该类设备应该支持这些类请求。设备所属类在设备 描述符中可以得到。
厂商请求：
这部分请求并不是 USB 规范定义的，而是设备生产商为了实现一定的功 能而自己定义的请求。
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USB 体系简介
0~1023字节 16位
PID
DATA
CRC16
• 握手包
8位/32位 SYNC PID 8位
PID
SYNC:Low/Fu ll speed为8 位；Hispeed为32位；
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USB 体系简介
管道（Pipe） 管道是主机和设备端点之间数据传输的模型，共有两种类型的管道；
无格式的流管道（Stream Pipe） 有格式的信息管道Message Pipe）。
USB 体系采用分层的星型拓扑来连接 所有USB设备
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USB 体系简介
以 HOST-ROOT HUB为起点，最多支持 7 层（Tier），也就是说任何一 个USB 系统中最多可以允许 5个 USB HUB 级联。一个复合设备 （Compound Device）将同时占据两层或更多的层。 ROOT HUB 是一个特殊的 USB HUB，它集成在主机控制器里，不占用地址。 “复合设备（Compound Device）”可以占用多个地址。所谓复合设备其 实就是把多个功能设备通过内置的 USB HUB 组合而成的设备，比如带录 音话筒的 USB 摄像头等。 一个 USB HOST 最多可以同时支持 128 个地址，地址 0 作为默认地址， 只在设备枚举期间临时使用，而不能被分配给任何一个设备，因此一个 USB HOST 最多可以同时支持 127 个地址，如果一个设备只占用一个地 址，那么可最多支持 127个 USB 设备（含USB HUB）。
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USB 体系简介
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USB 体系简介
USB 采用轮询的广播机制传输数据
所有的传输都由主机发起，任何时刻整个USB体系内仅允许一个数据包的 传输，即不同物理传输线上看到的数据包都是同一被广播的数据包;
USB 采用“令牌包”-“数据包”-“握手包”的传输机制
在令牌包中指定数据包去向或者来源的设备地址和端点（Endpoint），
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USB 数据流模型
四种传输类型(控制/中断/批量/同步传输)
1. 控制传输： 控制传输是一种可靠的双向传输，一次控制传输可分为三个阶段。 第一阶段为从HOST到Device的SETUP事务传输，这个阶段指定了此次控制传输 的请求类型； 第二阶段为数据阶段，也有些请求没有数据阶段； 第三阶段为状态阶段，通过一次IN/OUT 传输表明请求是否成功完成。 控制传输通过控制管道在应用软件和 Device 的控制端点之间进行，控制传输过程中 传输的数据是有格式定义的，USB 设备或主机可根据格式定义解析获得的数据含义。 其他三种传输类型都没有格式定义。 控制传输对于最大包长度有固定的要求。对于高速设备该值为 64Byte；对于低速设备 该值为 8；全速设备可以是 8或 16或 32或 64。 高速端点的控制传输不能占用超过 20%的微帧，全速和低速的则不能超过 10%的帧。 在一帧内如果有多余的未用时间，并且没有同步和中断传输，可以用来进行控制传输。
USB2.0协USB发展历史
传统的串口、并口通讯方式逐渐不能满足现有系统或者设备的数据传输速 率需求。 以Intel为首的七家公司于1994年推出了USB(Universal Serial Bus，通用 串行总线协议)概念，并在随后的几年内不断的对USB协议进行改进，成功 推行USB 1.1； 2004年底，正式推出了USB 2.0协议。接口与USB1.1兼容； 2007秋季，正式推出了USB 3.0协议。
USB HUB
HUB由HUB重发器（HUB Repeater）、转发器（Transaction Translator）以及HUB 控制器（HUB Controller）三部分组成。 HUB Repeater是上行PORT 和下行PORT之间的一个协议控制的开 关，它负责高速数据包的重生与分发; HUB 控制器负责和 HOST的通信，HOST通过 HUB 类请求和 HUB 控制器通讯，获得关于 HUB 本身和下行 PORT 的 HUB 描述符，进 行HUB和下行PORT 的监控和管理。 转发器提供了从高速和全速/低速通讯的转换能力，通过 HUB 可以在 高速 HOST 和全速/低速设备之间进行匹配。 HUB 在硬件上支持 Reset、Resume、Suspend。
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USB 1.1与USB 2.0之间的差别
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USB2.0 协议
USB 体系简介 USB 数据流模型
USB 物理规范
USB 电气规范 USB 协议层规范 USB 设备架构； USB 主机：硬件和软件 USB HUB 规范
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USB 体系简介
USB 是一种支持热插拔的高速串行传输总线，使用差分信号来传输数据， 最高速度可达 480Mb/S。 USB 支持“总线供电”和“自供电”两种供电模式。在总线供电模式下， USB2.0设备最多可以获得500mA的电流； USB2.0 被设计成为向下兼容的模式，当有全速 （USB 1.1）或者低速 （USB 1.0）设备连接到高速（USB 2.0）主机时，主机可以通过分离传 输来支持它们。 一条 USB 总线上，可达到的最高传输速度等级由该总线上最慢的“设备” 决定，该设备包括主机、HUB以及USB功能设备。