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全速USB和高速USB的识别过程分析(转载)

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楼主
1 前言
我们知道USB2.0向下兼容USB1.x,即高速2.0的hub能支持所有的速度类型的设备,而USB1.x的hub不能支持高速设备(High Speed Device)。因此,如果高速设备挂到USB1.x的hub上,那该设备只能工作在全速模式下。不管是hub还是设备(device),对于速度的区分是非常重要的,否则,后续的通信根本无法进行。



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沙发
八层楼|  楼主 | 2019-6-17 11:47 | 只看该作者
2 全速和低速USB的识别
根据规范,全速(Full Speed)和低速(Low Speed)很好区分,因为在设备端有一个1.5k的上拉电阻,当设备插入hub或上电(固定线缆的USB设备)时,有上拉电阻的那根数据线就会被拉高,hub根据D+/D-上的电平判断所挂载的是全速设备还是低速设备。如下两图:


图1 全速USB设备的连接



图2 低速USB设备的连接


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板凳
八层楼|  楼主 | 2019-6-17 11:47 | 只看该作者
3 高速USB的识别
USB全速/低速识别相当简单,但USB2.0,USB1.x就一对数据线,不能像全速/低速那样仅依靠数据线上拉电阻位置就能识别USB第三种速度:高速。因此对于高速设备的识别就显得稍微复杂些。

高速设备初始是以一个全速设备的身份出现的,即和全速设备一样,D+线上有一个1.5k的上拉电阻。USB2.0的hub把它当作一个全速设备,之后,hub和设备通过一系列握手信号确认双方的身份。在这里对速度的检测是双向的,比如高速的hub需要检测所挂上来的设备是高速、全速还是低速,高速的设备需要检测所连上的hub是USB2.0的还是1.x的,如果是前者,就进行一系列动作切到高速模式工作,如果是后者,就以全速模式工作。

下图展示了一个高速设备连到USB2.0 hub上的情形:


图3 高速USB的协商过程


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地板
八层楼|  楼主 | 2019-6-17 11:48 | 只看该作者
hub检测到有设备插入/上电时,向主机通报,主机发送Set_Port_Feature请求让hub复位新插入的设备。设备复位操作是hub通过驱动数据线到复位状态SE0(Single-ended 0,即D+和D-全为低电平),并持续至少10ms。
高速设备看到复位信号后,通过内部的电流源向D-线持续灌大小为17.78mA电流。因为此时高速设备的1.5k上拉电阻还未撤销,在hub端,全速/低速驱动器形成一个阻抗为45欧姆(Ohm)的终端电阻,2电阻并联后仍是45欧姆左右的阻抗,所以在hub端看到一个约800mV的电压(45欧姆*17.78mA),这就是Chirp K信号。Chirp K信号的持续时间是1ms~7ms。

在hub端,虽然下达了复位信号,并一直驱动着SE0,但USB2.0的高速接收器一直在检测Chirp K信号,如果没有Chirp K信号看到,就继续复位操作,直到复位结束,之后就在全速模式下操作。如果只是一个全速的hub,不支持高速操作,那么该hub不理会设备发送的Chirp K信号,之后设备也不会切换到高速模式。

设备发送的Chirp K信号结束后100us内,hub必须开始回复一连串的KJKJKJ….序列,向设备表明这是一个USB2.0的hub。这里的KJ序列是连续的,中间不能间断,而且每个K或J的持续时间在40us~60us之间。KJ序列停止后的100~500us内结束复位操作。hub发送Chirp KJ序列的方式和设备一样,通过电流源向差分数据线交替灌17.78mA的电流实现。

再回到设备端来。设备检测到6个hub发出的Chirp信号后(3对KJ序列),它必须在500us内切换到高速模式。切换动作有:
1. 断开1.5k的上拉电阻。
2. 连接D+/D-上的高速终端电阻(high-speed termination),实际上就是全速/低速差分驱动器。
3. 进入默认的高速状态。

执行1,2两步后,USB信号线上看到的现象就发生变化了:hub发送出来的Chirp KJ序列幅值降到了原先的一半,400mV。这是因为设备端挂载新的终端电阻后,配上原先hub端的终端电阻,并联后的阻抗是22.5欧姆。400mV就是由17.78mA*22.5Ohm得来。以后高速操作的信号幅值就是400mV而不像全速/低速那样的3V。

至此,高速设备与USB2.0 hub握手完毕,进行后续的480Mbps高速信号通信。


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5
八层楼|  楼主 | 2019-6-17 11:48 | 只看该作者
最后附上几幅实际USB高速识别的示波器抓图,图中蓝色信号是D+,黄色信号是D-。

数据线D+在T点之前挂上1.5K电阻,在T点被host拉成SE0状态。在近2ms后,设备发送第一个Chirp K,向host通知说:我是一个高速设备,如果可能,请用高速方式与我通信。其幅度是800mV(17.78mA * (45ohm ||1.5kohm) = 800mV,见上文解释)。在这里,Chirp K的持续时间是2.13ms(a,b两点之间)。


图4 示波器截取的高速USB协商过程1


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6
八层楼|  楼主 | 2019-6-17 11:48 | 只看该作者
2.这幅图显示了host发出的chirp KJ信号的幅度,头几个KJ是800mv(a,b之间),随后的是400mV。图中可以看到设备在收到第三个chirp J(蓝色短条)后马上把1.5k电阻取消,导致chirp J的幅值下降到400mV。(17.78mA * (45Ohm ||45Ohm) = 17.78mA * 22.5Ohm = 400mV)


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7
八层楼|  楼主 | 2019-6-17 11:49 | 只看该作者
3.]测量了一个chirp J的宽度:43.5us。



图6 示波器截取的高速USB协商过程3

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8
八层楼|  楼主 | 2019-6-17 11:50 | 只看该作者
最后附上一张来自Don Anderson的USB System Architecture里的USB HS接口图:

图7 High-Speed signal Interface

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9
机智的埃文| | 2020-7-4 10:37 | 只看该作者
楼主写的不错,学习了

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