USB 电气信号

USB 已经发布了五篇文章，如下：

一文带你了解 USB

USB 能连接多少设备？

USB 学习路线

USB 学习路线【详细版】

一文带你了解 Typec 接口切换开关

本文主要讲解 USB 电气信号，懂硬件，才能更好的写出软件，否则是空中楼阁。

参考文章如下，本文主要参考百问网-韦东山驱动大全教程：

https://www.jianshu.com/p/3afc1eb5bd32
https://www.jianshu.com/p/cf8e7df5ff09
https://www.jianshu.com/p/2a6e22194cd3

https://zhuanlan.zhihu.com/p/460018993
https://www.usbzh.com/article/detail-459.html

1、USB2.0

USB 2.0 协议支持 3 种速率：

低速(Low Speed，1.5Mbps)
全速(Full Speed, 12Mbps)
高速(High Speed, 480Mbps)

USB Hub、USB 设备，也分为低速、全速、高速三种类型。一个 USB 设备，可能兼容【低速、全速】，可能兼容【全速、高速】，但是不会同时兼容低速、高速。

USB 设备状态切换图

硬件线路

下图是兼容高速模式的 USB 收发器电路图：

USB 连接涉及 Hub Port 和 USB 设备，硬件连接如下【注意上下拉电阻位置】：

2、电子信号

USB 有 4 条线：5V、D+、D-、GND。

数据线 D+、D-，只能表示 4 种状态。USB 协议中，很巧妙地使用这两条线路实现了空闲(Idle)、开始(SOP)、传输数据(Data)、结束(EOP)等功能。

低速/全速信号电平

高速信号电平

3、设备连接与断开

连接

Hub 端口的 D+、D- 都有 15K 的下拉电阻，平时为低电平。全速设备内部的D+ 有 1.5K 的上拉电阻，低速设备内部的 D- 有 1.5K 的上拉电阻，连接到 Hub 后会导致 Hub 的 D+ 或 D- 电平变化，Hub 根据变化的引脚分辨接进来的是全速设备还是低速设备。

高速设备一开始也是作为全速设备被识别的。

全速设备、高速设备连接时，D+ 引脚的电平由低变高：

低速设备连接时，D- 引脚的电平由低变高：

断开

对于低速、全速设备，接到 Hub 时导致 D- 或 D+ 引脚变为高电平，断开设备后，D- 或 D+ 引脚变为低电平：

对于高速设备，它先作为全速设备被识别出来，然后再被识别为高速设备。工作于高速模式时，D+ 的上拉电阻是断开的，所以对于工作于高速模式的 USB 设备，无法通过 D+ 的引脚电平变化监测到它已经断开。

工作于高速模式的设备，D+、D- 两边有 45 欧姆的下拉电阻，用来消除反射信号：

当断开高速设备后，Hub 发出信号，得到的反射信号无法衰减，Hub 监测到这些信号后就知道高速设备已经断开，内部电路图如下：

4、复位

从状态切换图上看，一个 USB 设备连接后，它将会被供电，然后被复位。当软件出错时，我们也可以发出复位信号重新驱动设备。

那么，USB Hub 端口或 USB 控制器端口如何发出复位信号？发出 SE0 信号，并维持至少 10ms。

USB 设备看到 Reset 信号后，需要准备接收"SetAddress()"请求；如果它不能回应这个请求，就是"不能识别的设备"。

5、设备速率识别

低速/全速

Hub 端口的 D+、D- 都有 15K 的下拉电阻，平时为低电平。全速设备内部的D+ 有 1.5K 的上拉电阻，低速设备内部的 D- 有 1.5K 的上拉电阻，连接到 Hub 后会导致 Hub 的 D+ 或 D- 电平变化，Hub 根据变化的引脚分辨接进来的是全速设备还是低速设备。

高速

高速设备必定兼容全速模式，所以高速设备内部 D+ 也有 1.5K 的上拉电阻，只不过这个电阻是可以断开的：工作于高速模式时要断开它。

高速设备首先作为全速设备被识别出来，然后 Hub 如何确定它是否支持高速模式？

Hub 端口如何监测一个新插入的 USB 设备能否工作于高速模式？流程如下：

• 对于低速设备，Hub 端口不会监测它能否工作于高速模式。低速设备不能兼容高速模式。
• Hub 端口发出 SE0 信号，这就是复位信号
• USB 设备监测到 SE0 信号后，会发出"a high-speed detection handshake"信号表示自己能支持高速模式，这可以细分为一下 3 种情景
  • 如果 USB 设备原来处于"suspend"状态，它检测到 SE0 信号后，就发出"a high-speed detection handshake"信号
  • 如果 USB 设备原来处于"non-suspend"状态，并且处于全速模式，它检测到 SE0 信号后，就发出"a high-speed detection handshake"信号。这个情景，就是一个设备刚插到 Hub 端口时的情况，它一开始工作于全速模式。
  • 如果 USB 设备原来处于"non-suspend"状态，并且处于高速模式，它会切换回到全速模式(重新连接D+的上拉电阻)，然后发出"a high-speed detection handshake"信号

"a high-speed detection handshake"信号，就是"高速设备监测握手信号"，既然是握手信号，自然是有来有回：

• USB 设备维持 D+ 的上拉电阻，发出"Chirp K "信号，表示自己能支持高速模式
• 如果 Hub 没监测到"Chirp K "信号，它就知道这个设备不支持高速模式
• 如果 Hub 监测到"Chirp K "信号后，如果 Hub 能支持高速模式，就发出一系列的"Chirp K"、"Chirp J"信号，这是用来通知 USB 设备：Hub 也能支持高速模式。发出一系列的"Chirp K"、"Chirp J"信号后，Hub 继续维持 SE0 信号直到 10ms。
• USB 设备发出"Chirp K "信号后，就等待 Hub 回应一系列的"Chirp K"、"Chirp J"信号
  • 收到一系列的"Chirp K"、"Chirp J"信号：USB 设备端口 D+ 的上拉电阻，使能高速模式
  • 没有收到一系列的"Chirp K"、"Chirp J"信号：USB 设备转入全速模式

6、数据信号

低速/全速的 SOP 和 EOP

SOP：Start Of Packet，Hub 驱动 D+、D- 这两条线路从 Idle 状态变为 K 状态。SOP 中的 K 状态就是 SYNC 信号的第 1 位数据，SYNC 格式为 3 对 KJ 外加 2 个 K。

EOP：End Of Packet，由数据的发送方发出 EOP，数据发送方驱动 D+、D- 这两条线路，先设为 SE0 状态并维持 2 位时间，再设置为 J 状态并维持 1 位时间，最后 D+、D- 变为高阻状态，这时由线路的上下拉电阻使得总线进入 Idle 状态。

高速的 SOP

高速的 EOP 比较复杂，作为软件开发人员无需掌握。

高速模式中，Idle 状态为：D+、D- 接地。SOP 格式为：从 Idle 状态切换为 K 状态。SOP 中的 K 状态就是 SYNC 信号的第 1 位数据。

高速模式中的 SYNC 格式为：KJKJKJKJ KJKJKJKJ KJKJKJKJ KJKJKJKK，即 15 对KJ，外加 2 个 K。

NRZI 与位填充

NRZI：Non Return Zero Inverted Code，反向不归零编码。NRZI的编码方位为：对于数据 0，波形翻转；对于数据 1，波形不变。

使用 NRZI，发送端可以很巧妙地把"时钟频率"告诉接收端：只要传输连续的数据 0 即可。在下图中，低速/全速协议中"Sync Pattern"的原始数据是"00000001"，接收端从前面的 7 个 0 波形就可以算出"时钟频率"。

使用 NRZI 时，如果传输的数据总是"1"，会导致波形维持不变。如果电平长时间维持不变，比如传输 100 位 1 时，如果接收方稍有偏差，就可能认为接收到了 99 位 1、101 位 1。而 USB 中采用了 Bit-Stuffing 位填充处理，即在连续发送 6 个 1 后面会插入 1 个 0，强制翻转发送信号，从而让接收方调整频率，同步接收。而接收方在接收时只要接收到连续的 6 个 1 后，直接将后面的 0 删除即可恢复数据的原貌。

NRZI 不理解的话，请直接看如下文章：

https://zhuanlan.zhihu.com/p/460018993