usb协议基础

usb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，高速模式下传输速率为480Mb/S，全速模式为12Mb/S，低速模式为1.5Mb/S，USB支持“总线供电”和“自供电”两种供电模式，在总线模式下，设备最多和获得500mA的电流(设备未配置前枚举阶段提供100mA)。

usb优缺点

优点：传输速率快，支持热插拔，即插即用；
缺点：传输距离短，供电能力有限；

usb的拓扑结构

usb主控制器：对从机设备的控制和数据处理；
usb根集线器：是特殊的USB集线器，集成在主机控制器中，不占用地址；
usb集线器：可以扩展出更多的USB口；
一个主控制器对应一个根集线器，而一个根集线器通常具有一个或者几个USB口，比如我的电脑主机上有7个主控制器和7个根集线器（图1），根集线器上有6个端口可用，端口自供电，提供5v/500ma的电流（图2）；

USB体系包括”主机”、”设备”、”物理连接”三个部分，其中主机是一个提供USB接口及接口管理能力的硬件、软件及古剑的复合体，可以是PC，也可以是OTG设备。一个USB系统中仅有一个USB主机；设备包括USB功能设备和USB集线器，最多支持127个设备;物理连接指的是USB的传输线使用屏蔽的双绞线；
以下是USB的分层星型拓扑结构，以根集线器为起点，最多支持7层。一个usb主机最多可以同时支持127个地址；（usb主机最多支持128个地址，不过地址0作为默认地址，只在设备枚举期间临时使用，不能分配给任何一个设备）

usb总线信号

usb使用的是差分信号来进行传输，D+为高电平，D-为低电平，表示总线数据1；D+位低电平，D-为高电平，表示总线数据0；
USB协议中是是用J和K状态来表示总线状态的（J状态：（LS：差分0；FS：差分1） K状态：（LS：差分1；FS：差分0），具体的状态如下：
Reset信号：D+和D-都是低电平，并且保持10ms以上表示总线复位，总线复位信号将设备设置到默认的未配置状态；
IDLE状态：数据发送前后的状态，使用J状态来表示；
挂起状态：3ms以上的空闲状态（J状态）；
sync状态：3个KJ状态的切换，后跟随两个位时间的K状态；
唤醒信号：主机在挂起设备后可通过翻转数据线上的极性并保持20ms来唤醒设备，并以低速EOP信号结束；带远程唤醒工程的设备可以自己发起该唤醒信号，前提是设备已经进入idle状态至少5ms，然后发出唤醒K信号，维持1ms到15ms，并有主机在1ms内接管来继续驱动唤醒信号；
SOP：从IDLE状态切换至K状态；
EOP：持续两位时间的SE0信号，后跟随1位时间的J状态，低速模式下的KEEP ALIVE就是EOP信号；

usb设备插入检测和速度检测

全速和低速的识别
主机的hub端上的D+和D-上，分别接了15k的下拉电阻到地，当主机hub端悬空时，主机hub端均为低电平；usb设备端的D+或者D-上接有1.5k的上拉电阻，低速设备的上拉电阻接到D-上，高速和全速设备的上拉电阻接到D+上，当设备插入主机时，主机hub端的D+或者D-会被拉高，如果D+为高电平，主机认为高速或者全速设备插入，放D-为高电平时，主机认为低速设备插入；
高速设备识别
usb高速设备的D+上接有1.5k的上拉电阻，当设备插入主机时，首先被识别为全速设备。之后，hub和设备需要通过“Chirp序列”的总线握手机制来识别高速和全速设备。整个过程中，高速的hub需要检测插入的设备是高速、全速还是低速，高速的设备需要检测所连接上的hub是都支持高速模式，如果双方都确认成功，就进行以系列的动作，设备从全速切换到高速模式，高速模式下，采用电流传输模式，设备需要将上拉电阻断开。否则，设备以全速模式工作；

NRZI编码

我们常见的串行总线协议中，主机和设备之间的传输都是同步或者异步的，UART串口通信，是异步通信，所以使用波特率来同步两个设备之间的数据传输，I2C、SPI同步串行总线，是使用clk时钟线来进行数据的同步，usb通信的协议中使用NRZI编码的机制来进行主机和设备之间数据的同步传输；
下面是RZ、NRZ、NRZI的描述：
RZ：归零编码，在数据传输线上有三种电平，正电平、零电平、负电平，正电平代表1，负电平代表0，每次传输完一位数据后，传输线上的信号都会返回零电平；接受端在接受到零电平(归零信号)的时候，去采样数据，实现数据传输的同步，这种传输会增加带宽，是数据的传输速率减小一半；
NRZ：非归零编码，在数据传输线上有两种电平，高电平和低电平，高电平表示1，低电平表示0，不能实现自同步；
NRZI：反向非归零编码，使用电平的翻转来表示0或者1，当数据是0时，电平翻转，当数据为1时，电平不翻转，不能实现自同步；
NRZ和NRZI的同步机制：
NRZ和NRZI都不能实现自同步，所系需要一些措施保证收据收发两方的数据同步，第一：采用同步域，对于NRZ，同步域是若干01010101数据，对于NRZI编码机制，同步域若干00000000(数据0表示电平翻转)，这样接收端就可以计算出采样频率，这是外部同步的概念；第二：对于BRZI编码，可以利用信号的跳变来实现同步，即位填充，在数据传输的过程中，当连续出现6个数据1，就强行插入一个数据0，实现信号的翻转，使接收端进行同步，接收端接受到6个数据1时，去掉填充位，这种同步可以理解为自同步。