USB2.0协议知识详解课件PPT

。在该编码方案中，“1”表示电平不变，“0”表示电平改变。图8列出了一个数据流及其它的NRII编码，在该图的第二个波形图中，一开始的高电平表示数据线上的J态，后面就是NRZI编码。NRZI数据编码*USB电气规范位插入为了确集信号发送的准确性，当在USB上发送一个包时，传送设备就要进行位插入操作。所谓位插入操作是指在数据被编码前，在数据流中每六个连续的‘1’后插入一个‘0’，从而强迫NRZI码发生变化，如图所示。位插入数据编码序列原始数据位插入数据同步块数据包NRZI编码后的数据位插入*USB电气规范位插入操作从同步格式(如图10所示)开始，贯穿于整个传送过程，在同步格式端的数据‘1’作为真正数据流的第一位。位插入操作是由传送端强制执行的，是没有例外的。如果严格遵守位插入规则，甚至在EOP信号结束前也要插入一位‘0’位。同步格式NRZI数据编码同步格式空闲*USB电气规范接收端必须能对NRZI数据进行解码，识别插入位并去掉它们。如果接收端发现包中任一处有七个连续的“1”，则将会产生一个位插入错误，该数据包将被忽略。关于位的插入有一个特例，那就是刚好在EOP前的时间间隔，EOP前的最后一个数据位可能被集线器的转换偏移而拉长，这种情况如图11所示。传送的数据接收的特别位，没有错从传送器来的数据接收端数据对EOP前的特别位的说明*USB电气规范同步pattern全速/低速：KJKJKJKK;共8bits；高速：15个KJ对+2个KK；32bits；每个Hub允许丢4bit；经过5级Hub后，最少可能只有12bits；*USB电气规范数据信号的发送速率高速数据发送率通常为480.000Mb/s，主机，集线器和高速设备的数据率误差为±0.05%(500ppm)。对支持高速USB的主机，集线器和设备，工作在任何速率下数据率误差为±0.05%(500ppm)。全速数据发送率通常为12.000Mb/s，主机，集线器和高速设备的数据率误差为±0.25%(2500ppm)。集线器控制器的数据率应该准确地知道，其误差最好控制在±0.05%(500ppm)内。低速数据发送率为1.50Mb/s，低速功能设备所允许的误差为±1.5%(15000ppm)。以上所述的误差，主要由下面的几种情况所引起:初始频率精度；crystal负载电容量的影响振荡器上电压供应的稳定性影响温度的影响器件的老化*USB电气规范帧与帧间隔（FrameInterval）在低速、全速模式下，主机每间隔1ms(这个1ms称为一帧，允许误差0.005ms)发送一个帧开始令牌包SOF(StartofFrame)。包含SOF标记、帧序列号及CRC5校验码。　在高速模式下，主机每间隔1/8ms（即为一微帧，允许误差0.0625μs）发送一个帧开始令牌包SOF。相邻帧间隔时间差<0.5bittime(fullspeed);相邻微帧间隔时间差<4bitstime(highspeed);*USB电气规范数据源的抖动在数据发送的边缘时间内，数据源可能发生一些变化(即抖动)。处在任何数据变化集间的时间为N*Tperiod±抖动时间，其中N为发生变化的位数，Tperiod为具有一定范围的数据率的实际时间段。数据抖动的测量与计算最大上升沿和下降沿时所用的负载相同，并且它们在数据线的交叉点处进行测量，如图12。对高速传送，Jitter需要满足眼图要求；对于全速传送，任何连续的差分数据变化的抖动时间为必须在±2.0ns内，对于任何一个成对出现的差分数据变化(Jk到下一个Jk的变化或kJ到下一个kJ的变化)的抖动时间必须在1.0ns内。对于低速传送，任何连续的差分数据变化的抖动时间必须在25ns内，而任一成对出现差分数据变化的抖动时间必须在±10ns内。这些抖动的现象包括时间的变化，主要归咎于差分缓冲器的延迟和上升沿及下降沿时间的不匹配，内部时钟抖动，噪声及其他随机因素的影响。*USB电气规范差分数据线抖动数据抖动分类连续变化成对的变化Tperiod的整数多元化桥接点*USB电气规范接收端数据的抖动当抖动存在时，任何设备类型的数据接收必须能正确地对差分数据进行解码。这种情况的抖动可能是由上面所说的时延不匹配所引起，也可能是由源端和目标端数据速率的不匹配所引起。在特定的应用中，只要抖动条件满足，输出驱动器的抖动可能对设备时钟的精确性产生影响。详细的全速/低速接收端Jitter预算请参考USBspec2.0Table7-4和7-5;高速接收端在BER<=10E-12下，Jitter应满足相应模板要求；*EOP宽度全速/低速EOPEOP中SE0的宽度为2bitstime；发送端：全速SE0时间：160~175ns；低速SE0时间：1.25us~1.5us接收端：全速SE0时间应>=82ns;低速SE0时间应>=670ns;高速EOP*USB电气规范电缆的延迟USB中传送信号的电缆所允许的时延为26ns，对于一个标准的USB可分电缆，其时延由从串行A口连接器端到串行B口连结端计算而得，并且其值小于26ns；而对于其它电缆，其时延由从串行A口连结器端到该电缆所连设备端计算而得。电缆延迟必须<5.2ns/米；即标准USB2.0电缆最大可以支持到5M以上；低速USBcable延迟必须<18ns；电缆的信号衰减对于进行高速信号发送的每根电缆而言，信号对(D+，D-)所允许的最大衰减量右表所示。信号时延Cable允许的最大衰减*USB电气规范USB最大端到端信号延迟全速/低速：Host等待响应的最大时间为18bitstime；高速：721bitstime；*USB测试模式顺应性测试需要：高速的USBHub，Host和的Device才必须支持USBTestMode；USB全速和低速没有testmode；USBtestmode下的端口会反复发送如下数据，SI眼图测测试即可完成；*USB电气规范电源分布所有USB设备的缺省电压为低电压，当设备要从低电压变化到高电压时，则是由软件来控制的。在允许设备达到高电压之前，软件必须保证有足够的电压可供使用USB支持一定范围的电压来源和电压消耗供应者，包括如下的部分。根端口集线器：它是直接与USB主机控制器相连的，并与其相同的电源来源。从外部获得操作电压(AC或DC)的系统，在每个端口至少支持五个单位负载，这些端口称为高电压端口。由电池组提供电压的系统可以支持一个或五个单位负载。哪些只能支持一个单位负载的端口称为低电压端口。从总线获得电压的集线器：它的所有内部功能设备和下形端口都从它的上形端口的Vbus上获得电压。在电压升高时，它可以接一个单位负载，经过初始设置后，它可以接五个单位负载。初始设置电压被分配给了集线器，任一固定功能设备和外部端口。它的外部端口只能接一个单位负载，当集线器处于活动或挂起态时，它必须为这个端口提供电流。该种集线器如图所示。注：一个单位负载为100mA？*USB电气规范上行数据端口上行Vbus可接五个单位负载下行数据端口集线器控制器调节器不可移动功能设备一个单位负载一个单位负载/端口下行Vbus总线提供电压的集线器*USB电气规范自给电压集线器：如图所示，它的任一内部功能设备和下形端口不再从Vbus上获得电压，但当它的其余部分电压下降时，它的USB接口可接一个单位负载并从Vbus处获得电压，以允许该接口能工作。从外部(从USB)获得操作电压的集线器，可在每个端口接五个单位负载。由电池组提供电压的集线器，每端口可接一个或五个单位负载。Host和自供电Hub必须有OCP，OCP值要<=5A,拔插cable和上电Inrush不能触发OCP；OCP后必须可自动恢复，无需用户机械干预；常用聚合物PTC或固态开关实现；局部电压供给集线器控制器调节器上行Vbus,可接1单位负载(max)下行数据口上行数据口下行Vbus不可移动设备调节器电流限制电流限制复合的自己电压集线器*USB电气规范从总线获得电压的低电压功能设备，如图，该种设备上的所有电压均来自Vbus，在任一时刻，它们最多只能接一个单位负载。要求电压在4.4V以上都可以正常工作；从总线获得电压的高电压设备：如图所示，该种设备上的所需电压均来自Vbus。在电压升高时，它们至多只能接一个单位负载（要求在4.4V以上能正常工作），但当初始设置后，可接五个单位负载（要求在4.75V以上能正常工作）。总线提供的高电压功能设备调节器功能设备控制器功能设备上行数据口上行Vbus,可接5单位负载(max)上行数据端口功能设备上行Vbus，只接一个单位负载(max)调节器总线提供的低电压功能设备*USB电气规范自给电压功能设备，如图，当它function部分外的其余设备电压下降时，Vbus上可以最多接一个单位负载，以使USB接口处于活动状态。上行Vbus，可接1个单位负载(max)功能设备控制器功能设备调节器局部电压供给调节器自给电压功能设备上行数据端口任何设备在任何时间都不允许向其上行端口的Vbus供电，只能向对应上行端口取电；在Vbus电源检测OK前，device也不允许向USB数据线（D+/D-）的上拉电阻供电；在检测到Vbus消失后10s内，停止向数据线（D+/D-）的上拉电阻供电；Device上电要确认没有向上行端口Vbus供电后才会接受复位信号；*USB电气规范电压跌落预算高压端口输出电压：4.75V~5.25V;低压端口输出电压：4.4V~5.25V;总线供电的Hub允许最大电压跌落350mV(从cable源端到Hub输出连接器端)；可拔插的USBcable允许的最大电压跌落为125mV;GND允许的最大电压跌落为125mV(从上行端口到下行端口)；所有的Hub和功能设备要能够在4.4V下提供配置信息；只有低压功能端口操作电压可低至4.4V；带载超过一个负载的功能设备，其上行端口连接器处电压应>=4.75V;*USB电气规范挂起与唤醒期间的电源控制低电压设备或高电压设备工作于低电压下时，它们所允许的挂起电流限制为500uA，如果一个设备被初始设置为高电压并且具有远程唤醒功能，则在挂起期间，它的电流可达到2.5mA.在挂起状态下允许间隔1s以上的，电流达到100mA(或500mA)的瞬间脉冲电流；脉冲电流<100mA/uS;当一个集线器处在挂起状态时，它必须仍能为每个端口提供最大电流值。对于具有远程唤功能的设备，当它的电压在升高而系统的其余部分仍处于挂起态时，上面的要求是十分必要的。当设备被唤醒时(远程唤醒或由唤醒信号唤醒)，它们此时必须能限制Vbus上的inrush电流，集线器内Vbus所允许的最大电压落差为330mV。设备必须有足够的bypass电容器或要有一个可控制的上电时序，以便当设备正在被唤醒的任一时间内，从集线器输入的电流不能超过端口的最大电流允许值。*USB电气规范设备的动态加载与卸载插入或拨掉一个集线器或其它功能设备时，不应影响网络中其余设备的正常工作为前提。卸载掉一个功能设备将中止设备与主机间的通信，此时集线器向主机警告该端口已被中断。动态加载某设备可能会产生强电流，因而会使HUB上的其他端口的Vbus低于它的最小工作电压，因此必须引用一些限流装置。Hub内Vbus允许的最大跌落电压为330mV;下行端口允许的最大负载为10uF+44Ω;每个Hub的下行端口电源线必须带有大于120uF的lowESR的Bypass电容；在动态加载期间，通过使连结器上的信号端口处于空闲，以使其免受强电流的破坏，这样为了使电压端口首先进行联系。这就保证，在信号端口连接前，分布在下行设备上的电压是可用的。另外，在连接期间，信号线均处于高阻抗状态，因此标准信号线上此时没有电流。*USB电气规范设备从网络中卸去时，电缆的电感系统将在设备电缆的开口端产生一个很大的回流电压，它是没有破坏性的。但在电缆设备的末端必须有一些小容量的电容器（大于1uF），以保证产生的回流电压不会引起设备端电压极性的改变。但回流电压会产生噪音，通常利用分流电容器进行适当分流以减少噪音，分流电容器对回流电压及其产生的噪声进行缓和。*USB电气规范电气特性详细要求参考USB2.0协议Page206Table7-7.DCElectricalCharacteristics；*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USBHUB规范*USB协议层规范USB采用littleedian字节顺序，在总线上先传输一个字节的最低有效位，最后传输最高有效位，采用NRZI编码，若遇到连续的6个1要求进行人为填充，即插入一个0（详见《NRZI编码.pdf》）。*USB协议层规范所有的USB包都由SYNC开始，高速包的SYNC宽度为32bit（31bits“0”+1bit“1”），全速/低速包的SYNC段度为8bit（0000，0001）。实际接收到的SYNC长度由于USBHUB的关系，可能会小于该值。USB数据包的格式*USB协议层规范PID表征了数据包的类型，分为令牌（Token）、数据（Data）、握手（Handshacke）以及特殊包4大类，共16种类型的PID。*USB协议层规范*USB协议层规范对于令牌包来说，PID之后是7位的地址和4位的端点号。令牌包没有数据域，以5位的CRC校验和结束。SOF是一类特殊的令牌包，PID后跟的是11位的帧编号。对于数据包来说，PID之后直接跟数据域，数据域的长度为N字节，数据域后以16位的CRC校验和结束;握手包仅有PID域，没有数据也没有校验和。分离传输会用到一类特殊的包，Start-Split和Complete-Split包，格式如下：在Start-Split和Complete-Split包中主要指定了此次分离传输所在的HUB的地址和下行端口编号以及端点类型（控制、中断、批量、同步）。以及此次传输中数据包在整个数据中的位置（第一个包、中间的包、末尾的包）。*USB协议层规范数据在USB总线上的传输以包为单位，包只能在帧内传输。高速USB总线的帧周期为125uS，全速以及低速USB总线的帧周期为1mS。帧的起始由一个特定的包（SOF包）表示，帧尾为EOF。EOF不是一个包，而是一种电平状态，EOF期间不允许有数据传输。注意：虽然高速USB总线和全速/低速USB总线的帧周期不一样，当时SOF包中帧编号的增加速度是一样的，因为在高速USB系统中，SOF包中帧编号实际上取得是计数器的高11位，最低三位作为微帧编号没有使用，因此其帧编号的增加周期也为1mS。*USB协议层规范1.批量事务传输*USB协议层规范批量传输是可靠的传输，需要握手包来表明传输的结果。若数据量比较大，将采用多次批量事务传输来完成全部数据的传输，传输过程中数据包的PID按照DATA0-DATA1-DATA0-…的方式翻转，以保证发送端和接收端的同步。USB允许连续3次以下的传输错误，会重试该传输，若成功则将错误次数计数器清零，否则累加该计数器。超过三次后，HOST认为该端点功能错误（STALL），放弃该端点的传输任务。一次批量传输（Transfer）由1次到多次批量事务传输（Transaction）组成。翻转同步：发送端按照DATA0-DATA1-DATA0-…的顺序发送数据包，只有成功的事务传输才会导致PID翻转，也就是说发送段只有在接收到ACK后才会翻转PID，发送下一个数据包，否则会重试本次事务传输。同样，若在接收端发现接收到到的数据包不是按照此顺序翻转的，比如连续收到两个DATA0，那么接收端认为第二个DATA0是前一个DATA0的重传。*USB协议层规范2.控制传输（Transaction）一次控制传输分为三（或两个）个阶段：建立（Setup）、数据（DATA）（可能没有）以及状态（Status）。每个阶段都由一次或多次（数据阶段）事务传输组成（Transaction）右图为建立阶段的事务传输图。可以看出：与批量传输相比，在流程上并没有多大区别，区别只在于该事务传输发生的端点不一样、支持的最大包长度不一样、优先级不一样等这样一些对用户来说透明的东西。*USB协议层规范建立阶段过后，可能会有数据阶段，这个阶段将会通过一次或多次控制传输事务，完成数据的传输。同样也会采用PID翻转的机制。建立阶段，Device只能返回ACK包，或者不返回任何包。最后是状态阶段，通过一次方向与前一次相反的控制事务传输来表明传输的成功与否。如果成功会返回一个长度为0的数据包，否则返回NAK或STALL。下图为整个控制传输的示意图：*USB协议层规范中断传输中断传输在流程上除不支持PING之外，其他的跟批量传输是一样的。他们之间的区别也仅在于事务传输发生的端点不一样、支持的最大包长度不一样、优先级不一样等这样一些对用户来说透明的东西。主机在排定中断传输任务时，会根据对应中断端点描述符中指定的查询间隔发起中断传输。中断传输有较高的优先级，仅次于同步传输。同样中断传输也采用PID翻转的机制来保证收发端数据同步。下图为中断传输的流程图。*USB协议层规范中断传输流程图*USB协议层规范同步传输同步传输是不可靠的传输，所以它没有握手包，也不支持PID翻转。主机在排定事务传输时，同步传输有最高的优先级。*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USBHUB规范*USB设备架构在USB设备架构中，规范主要定义了USB设备的各种状态、常用操作、USB设备请求、描述符、设备类等。*USB设备架构枚举的过程介绍连接了设备的HUB在HOST查询其状态改变端点时返回对应的bitmap，告知HOST某个PORT状态发生了改变。主机向HUB查询该PORT的状态，得知有设备连接，并知道了该设备的基本特性。主机等待（至少100mS）设备上电稳定，然后向HUB发送请求，复位并使能该PORT。HUB执行PORT复位操作，复位完成后该PORT就使能了。现在设备进入到defalut状态，可以从Vbus获取不超过100mA的电流。主机可以通过0地址与其通讯。主机通过0地址向该设备发送get_device_descriptor标准请求，获取设备的描述符。*USB设备架构主机再次向HUB发送请求，复位该PORT。主机通过标准请求set_address给设备分配地址。主机通过新地址向设备发送get_device_descriptor标准请求，获取设备的描述符。主机通过新地址向设备发送其他get_configuration请求