USB光端机
一、概述。
光端机的结构很简单，由发送端和接收端组成。如下图所示，单向传输。
光端机也可以是双向传输，只要使用2对光模块，或者光模块支持波分复用就可以了。
常用的光端机有：以太网光端机，视频光端机（包括VGA、DVI、HDMI、SDI、DP接口），音频光端机，电话光端机，串口/CAN光端机，还有专用的鼠标、键盘光端机等。
其中较为棘手的是USB光端机（以下只讨论USB2.0光端机），因为所有的USB信号在DP、DM一对差分线上收发，也就是半双工模式，而且最高速率达到480Mbps，还有那些复杂的协议。
主要难点在于USB协议有部分数据包对时间有严格要求。
USB总线的所有通信都由主机发起，从机不能发起。
主机会周期性地发送SOF包给从机。
SOF包由主机发送给设备。
1) 对于全速总线，每隔1.00 ms ±0.0005 ms发送一次；
2) 对于高速总线，每隔125 μs ±0.0625 μs发送一次；
SOF包，如果USB设备连续3次没接收到SOF包，则会挂起，然后复位总线。
当主机发起SOF包，从机需要回应EOP包。
由基本的包组成四种传输方式，分别是控制传输、块传输、中断传输、同步传输。
其中，控制传输和块传输对时间没要求。
而同步传输和中断传输的传输时间间隔，则由USB设备决定，最小为1ms。
此外，USB总线上还有一个最长响应时间限制。
当主机连续发送三次需要应答的包，而从机在一段时间内都没有应答，主机就会认为从机挂起。
而这个最长响应时间由主机决定，可以设定在1s~10s。
二、方案论证。
1、CH317方案。
江苏沁恒的CH317，CH317内部封装了USB PHY和以太网PHY。它内部把USB的差分信号打包成以太网的数据包，并通过RGMII接口直接透传到对端。能支持高速、全速、低速设备以及Hub，由于CH317芯片固有的bug，所以传输距离约为260米，而且要单独一条光纤专门传USB信号，增加了成本。
2、AX6800x方案。
AX6800x是一块内部封装了USB PHY的SOC芯片。它内部用代码解析USB协议，再转成串行口输出，只支持键盘、鼠标，也支持Hub下挂载键盘、鼠标。传输距离可达500米以上。由于AX6800x芯片内部代码的问题，所以不支持除键盘、鼠标、全速Hub以外的USB设备。
3、ARM解析协议方案。
ARM9内部集成了USB PHY。利用ARM解析USB协议，并传到对端。能支持U盘、部分串口、部分鼠标。
传输距离达500米以上。但是ARM芯片本身的缺陷（端点数量有限），使得它不能支持更多USB设备。
把ARM9设置为主机模式时，能支持三种速度，而从机模式只支持高速和全速，包括其它ARM芯片，如：Cortex A5、Cortex A8、Cortex A31系列的芯片，从机模式均只支持高速和全速。只有NXP的MCP85xx系列芯片在主、从机模式下均支持三种速度。
4、USB3300或USB3500方案。
USB3300是一块单纯的USB PHY芯片，它能把USB的差模信号转成并行8位的共模信号，并以ULPI接口的形式引出。能支持高速、全速、低速设备以及Hub。
USB3300能配置成USB主机或者USB设备模式。
而USB3500用的是UTMI接口，接的线比USB3300多一些。
下文均以USB3300或USB3500方案展开论述。
三、UTMI接口和ULPI接口对比。
UTMI+接口，分四个等级(0~3级)。
USB3500是UTMI+接口，特点操作时序简单，但是信号线多达31根。
USB3500是UTMI+ Level3芯片，UTMI+接口，QFN56封装，3.3V供电，并行8位数据接口，不需要配置寄存器，直接拉高或拉低引脚以配置芯片的工作模式。
USB3300是ULPI接口，特点信号线只有12根，但是操作时序稍微复杂。
USB3300是UTMI+ Level3芯片，ULPI接口，QFN32封装，3.3V供电，并行8位数据接口，需要配置寄存器才能工作。
由上图可知，若要对USB3300进行操作，则必要先发命令，再发数据，以配置内部寄存器，它才能正常工作。
四、USB3300检测USB设备速度的流程描述。
由于USB主机的DP、DM引脚带有下拉15K欧电阻，而USB设备的DP、DM引脚带有上拉1.5K欧电阻。
所以，当USB设备跟USB主机对接时，能利用上、下拉电阻来设置总线上的电平。
对于低速设备，在DM引脚上拉1.5K。
对于全速设备，在DP引脚上拉1.5K。
对于高速设备，则需要握手协议。
a、USB主机检测到全速设备，即：DP引脚上拉1.5K。
b、USB主机复位总线，即向总线发送SE0，此SE0持续时间不得小于2.5us。
c、高速设备检测到SE0持续时间不小于2.5us后，向总线发送Chirp K信号，此Chirp信号持续时间不小于1ms且不大于7ms。
d、总线回复到SE0状态。如果USB主机支持高速模式，则必须在Chipr K信号结束后100us内做出响应。
e、USB主机在Chipr K信号结束后100us内做出响应，向总线发送连续的Chirp K/J对，每个Chirp K信号或Chirp J信号的宽度不小于40us且不大于60us，每2个相邻的Chirp K和Chirp J信号之间的间隔不应大于2.5us。
f、高速设备在检测到连续的最少3对Chirp K/J对后，在500us内必须断开DP上的上拉电阻，并连接D+和D-上的对地高速端接电阻，完成高速握手，进入高速传输模式。
高速模式的握手协议，反应在USB3300的时序，如下图所示。
五、USB Hub的工作原理。
只要USB Hub工作在高速模式，则接到USB主机的上行(Upstream)速率则固定为高速，全速模式也一样。
在高速模式下传输全速或低速数据包，需要使用SPLIT包，即分离传输，传输过程较复杂。
在全速模式下传输低速数据包，需要使用PRE包。
SPLIT包和PRE包则由传输翻译器(Transaction Translator)翻译成相应的速率，然后传到下行(Downstream)端口，供USB设备使用。
六、USB-HUB控制器USB2422。
USB2422是个USB-HUB控制器，它可以控制DP、DM引脚交换，可以增强USB信号，在高速模式下，可以支持6米以上的距离。
可以说USB2422是个短距离的延长器。
在下游可以把USB3300接到USB2422，最终只要透传USB2422的信号即可。
七、最终方案。
最后把方案调整为如下图所示。
在远端，增加USB2422作为Hub接下游设备，远端和近端都使用STM32来配置USB2422以及处理事务。
这样，可以实现USB透传，解决ARM方案的端点不足问题，也能把处理后的数据包封装在视频上，以减少光纤数量，降低成本。
八、主机延长器。
把USB光端机和视频光端机合并在一起就是主机延长器，这样，可以把主机集中放在机房中，而用户只放一台光端机、鼠标、键盘、显示器。
主机延长器可以应用在网吧、办公室、出租屋中。不用担心主机被偷、数据被偷。主机更新换代时，能二手倒卖更高价格。