USB百科
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USB通讯基础入门概述

2021-05-08 4491 0

USB系统组成

USB系统主要包括USB主机和USB设备两种设备。

USB主机:提供USB接口和接口管理功能的硬件、软件、固件的复合体。PC机或OTG设备,一个USB系统只能有一个主机.USB主机提的硬件主要包括USB主控制器和USB根集线器
USB设备:1.集线器HUB:扩展主机接口,设备可以通过其接入主机 2.功能设备,如U盘,USB摄像头,HID键盘鼠标等。

物理连接:即USB电缆,USB使用差分信号传输数据,USB全速/高速模式电缆必须外层屏蔽铜质传输线,且差分数据线双绞。一条USB的传输线分别由地线、电源线、D+、D-四条线构成,D+、D-是差分输入线,使用的是3.3V电压,而电源线与地线可向设备提供5V电压,最大电流500mA。

USB3.0采用了9线制,3.2更是多增加了一结差分收发引线。详见可见:USB引脚接线定义

USB拓扑结构

USB的物理拓扑结构是一种叫做菊花链的方式。
USB拓扑结构

每个USB系统只允许有一个HOST(主机)。允许的最大层数为7层(包含主机);每层的电缆最大长度为5米,电缆总长度为30米;每层最大允许接5个DEVICE(设备);

这里的每个系统是一根USB主控制器,也是一个USB根集线器,即一条USB总线。PC中可以有多块USB主控制器,所以也会有多根USB总本。

USB系统程序

  • 应用程序:应用程序运行与USB设备所连接的主机上。部分应用程序会由操作系统的主机提供,大部分应用程序由USB设备供应商提供。
  • 驱动程序:驱动程序服务于特定的操作系统,为USB设备提供支持。驱动程序通常由操作系统提供,独立于特定的应用程序和USB设备。
  • 主机端控制程序:包括硬件和软件,使USB设备能够被主机识别。

USB速度选择

这里主要介绍USB2.0的速度选择。

USB全速模式

USB全速模式是在D+线上上拉1.5K的电阻。
全速模式

USB低速模式

USB低速模式是在D-线上上拉1.5K的电阻。
低速模式

USB信号描述

USB信号描述

差分信号:
1: D+ > Voh(2.8V) and D- < Vol(0.3V)
0:D- > Voh and D+ < Vol

J状态:
Low Speed :Differential(差分信号) 0
Full Speed :Differential(差分信号) 1

K状态:
Low Speed :Differential(差分信号) 1
Full Speed :Differential(差分信号) 0

USB协议分层

USB在逻辑上被分为三层:信号层、协议层、数据传输层。
USB协议分层

设备速度的检测

高速设备

低速设备

USB信号的编码

USB中的数据采用反向不归零编码方式(NRZI:none-return to zero inverted),并对D+和D-线所处的不同状态定义成J和K两种状态。

数据状态 D+ D-
低速J状态 0 1
低速K状态 1 0

数据的编码/解码(反向不归零码)
USB信号的编码

说明:遇到0的边沿进行状态改变,如果是1保持原有状态

注:在数据进行NRZI编码前,每6个连续的1信号之后都会插入一个0信号,以免丢失同步。

USB 协议层

包是USB系统中信息传输的基本单位,所有的数据都是经过打包后再总线上传输的。

每个包由6部分组成:同步字段(SYNC)、包标识符(PID)、地址字段(ADDR)、数据字段(DATA,包括帧号)、检验字段(CRC)、包结束(EOP)。
USB包

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