通讯协议学习之路：USB协议协议理论

通讯协议之路主要分为两部分，第一部分从理论上面讲解各类协议的通讯原理以及通讯格式，第二部分从具体运用上讲解各类通讯协议的具体应用方法。

后续文章会同时发表在个人博客(jason1016.club)、CSDN；视频会发布在bilibili(UID:399951374)

1、概述

USB，Universal Serial Bus（通用串行总线），是一种计算机与外围设备进行数据交互的通信协议。

1.1 USB协议

USB2.0 或 USB3.1, 指的是传输标准; 而USB Type-C 或 USB Type-A, 指的是物理接口。

1.2 USB充电协议

1.3 USB协议

1.3.1 Type-A

（1）标准的USB2.0协议传输结构是这样子的（设备端）：

（2）USB3.0

• USB协议采用的是差分传输模式
• 在低速和全速模式下，采用电压传输模式，在高速下，采用电流传输模式。
• 传输结构之所以采用两长两短的方式，是为了支持热拔插：
• 当USB设备接入主机时，VCC和GND优先被接通；拔掉设备时，D-和D+数据线优先断电。

1.3.2 Type-C

Type-C相对于其它接口的优势：

• 它无需区分正反
• 最高可以支持5A大电流，
• 在USB4标准支持下，最高可传输速率可达40Gbps。
• 正确插入后发出声音。
• 通过USB Power Delivery技术，可用于3C产品（如笔记本电脑、智能手机）的充电。
• 增进的电磁干扰（EMI） 与射频干扰（RFI mitigation）特性。
• 可选集成DisplayPort、HDMI、MHL[5][6]。
• 可选集成Thunderbolt。
• 可选集成USB4。

TYPE-C的高速应用,Type-C可用于:

• USB1.1/2.0/3.0/3.1
• HDMI
• 以太网络
• DisplayPort的
• 功率
• 音频
• 有更多的千兆位通道。

1.3.3 USB2.0/3.0/3.1/3.2速率

Gen1和Gen2指代编码方式和Lanes内的速度，Gen1绑定了8b/10b和单lane内5 Gbit/s，Gen2绑定128b/130b与单lane内10G bits/s。

1个lane即2组差分对，一组差分对负责一个方向的传输。所以表里的带宽都是同时刻双向的带宽（当然实际中达不到）。

x1和x2指代有几个lane，真正的USB3.2 x2只能通过Type C接口达成，同时线材也必须支持USB3.2内所需的4个差分对。

（1）USB2.0

（2）USB3.0 (USB3.2 Gen1)

USB3.0为了提高传输速率，在不同形状的物理接口上都增加了新的针脚。为了保证向下兼容性，也保留了USB2.0原有的针脚；由于USB3.0发表时只有常见的Type-A与Type-B构型，并没有Type-C可选.

USB3.0新增了两组差分对，分别是SSTX与SSRX。每组差分对的速度都被提升到了5Gbit/s，编码方式为8b/10b，计算纠错/控制损耗，实际效率为80%。从针脚名称中的T与R便可以知道USB3.0可以同时发送与接收数据，是全双工接口

（3）USB3.1 (USB3.2 Gen2)

USB3.1相较于USB3.0，大致做了以下改进：

• 仍然是两个差分对，全双工，但每个差分对速度被提升到10Gbps。
• 编码从8b/10b更改为128b/130b，实际可用带宽更大，损耗从USB3.0的20%降到3%。
• 引入了新的USB PD协议，供电能力大幅度提高。

下面是USB3.1的工作示意图，在Type-A与Type-B接口下，相较于USB3.0只是把差分对的速度提高了。

而在Type-C接口下，USB3.1工作示意图是这样的

（4）USB3.2 Gen1x2

（5）USB3.2 Gen2x2

1.3.4 ULPI/UTMI

ULPI协议的全称是UTMI+Low Pin Interface。从名字上就可以看出ULPI是UTMI的Low Pin版本。UTMI(USB2.0 Transceiver Macrocell Interface，USB2.0收发器宏单元接口)是一种用于USB controller和USB PHY通信的协议。相对于ULPI，UTMI有更多的控制信号，支持8bit/16bit 数据接口。前者PIN少，后者PIN多，所以如果用ULPI，PHY一般外部另接；用UTMI，PIN多，一般内置。

• UTMI 接口信号

• ULPI 接口信号

为什么要用NRZI? （1）没有归0步骤，节省了大量的数据带宽；（2）没有负电平，表示起来方便

如何自同步？ NRZ编码本身并不带自同步功能，USB在协议中加入了同步头（SYNC），对于每一个USB Packet，都有一个同步域固定为0000_0001，这个域翻译成NRZI编码就是01010100，接收者通过这个同步头可以算出发送者的频率。

为什么需要Bit-Stuffing? SYNC可以解决同步的问题，但是如果发送端一直发1，那由NRZI编码后的电平会一直保持不变，从SYNC计算出来的频率只要有一点点偏差，累积后都会造成较大的误差，所以USB协议中采取了bit stuffing的机制来避免出现长时间的1。简单说，每6个连续的1之后，会强制插入一个0，使得发送信号强制出现翻转，接收方在收到翻转信号时可以调整频率，从而实现时钟同步。

参考文章：USB协议介绍_工作使我快乐的博客-CSDN博客

2、USB常见接口 

USB的连接器分为A、B两种，分别用于主机和设备；其各自的小型化的连接器是Mini-A, Mini-B 和 Micro-A, Micro-B，另外还有Mini-AB（可同时支持Mini-A及Mini-B）的插口。USB 3.1版本中导入支持正反面不区分插入的C型。下图是常见的USB硬件接口。

 根据不同的协议，详细分类如下表所示

其中Type-A是我们过去最常用的接口类型，Type-B常见于打印机上，而Type-C就是目前正在普及的，Micro-USB是过去安卓设备常采用的接口。

综上，可将USB的接口分为以下三类：