USB接口、标准和基础原理介绍

黄工的嵌入式技术圈 2020-01-13 19871

描述

1写在前面

USB：Universal Serial Bus，通用串行总线。

USB最初由英特尔与微软倡导发起，最大的特点是尽可能的实现热插拔和即插即用。

USB总线是差分信号吗？什么是USB 2.0、USB 3.0？什么是低速、全速、高速？什么是Type-A、Type-B、Type-C？

针对这些疑问，本文讲述USB相关的一些基础知识。

2USB发展历程

较早版本

USB 0.7：1994年11月发布。

USB 0.8：1994年12月发布。

USB 0.9：1995年4月发布。

USB 0.99：1995年8月发布。

USB 1.0 RC：1995年11月发布。

USB 1.0：1996年1月发布

数据传输速率为1.5Mbit/s(Low-Speed)。无预测及通过检测功能。仅极少数出现在市场上。

USB 1.1：1998年9月发布

修正1.0版已发现的问题，大部分是关于USB Hubs。最早被采用的修订版。数据传输速率为12Mbit/s（Full-Speed）。

USB 2.0：2000年4月发布

增加更高的数据传输速率480Mbit/s（现在称作Hi-Speed），但受限于BOT传输协议和NRZI编码方式，实际最高传输速度只有35MByte/s左右。

USB OTG（On-The-Go）是USB2.0规格的补充标准。

USB 3.0：2008年11月发布

速度由480Mbps大幅提升到5Gbps，USB 3.0插座通常是蓝色的，并向下兼容USB 2.0。

USB 3.1：2013年7月31日发布

传输速度提升为10Gb/s，比USB3.0的5Gb/s快上一倍，并向下兼容USB 2.0/1.0，电力供应可高达100W。

USB 3.2

在现有的USB Type-C数据在线实现双通道，使用USB 3.2主机连接USB 3.2存储设备，可以实现两条通道10Gb/s的传输速度，理论上也就是相当接近于20Gb/s。

USB 4：2019年9月3日发布

采用Thunderbolt 3协议规格，使Thunderbolt 3设备将能兼容于USB 4，现有3.2及2.0也向下兼容。速度方面加倍来到两条通道总共40Gb/s的传输速度。

3USB版本

USB-IF当前正式的主版本号只有USB 2.0和USB 3.2两个。

（USB-IF：USB Implementers Forum，USB标准化组织）

USB标准化组织主版本只有两个，但现在USB标准中，按照速度等级和连接方式分为以下几种版本：USB 1.0、 1.1、 2.0、 3.0、 3.1、 3.2。

下面给一张图：

之前写过一篇文章：USB4规范正式公布，传输带宽高达40Gbps。

准确的说，主版本号除了USB 2.0和USB 3.2，还应该有一个USB4。

上面那张图信息量有点大，你会发现我们学习、开发板上使用的基本都是USB 2.0版本（低速、全速、高速），也是众多嵌入式产品中常用的一种。

4USB接口

现在流行于手机中的一种接口【Type-C】，相信绝大部分人都知道。

Type-C属于USB中一种较新的接口，在这之前其实还有Type-A和Type-B（可能很多人不知道）。

下面给一张图：

你会发现接口的触点有4个的，也有5个的。其中多的那个引脚为USB_ID，主要用于OTG（On-The-Go）主设备和从设备。

OTG设备使用插头中的ID引脚来区分A/B Device，ID接地被称作为A-Device,充当USB Host，A-Device始终为总线并提供电力。

ID悬空被称作为B-Device，充当USB Device。设备的USB Host/USB Device角色可以通过HNP(主机交换协议)切换。

5USB设备识别

USB信号使用分别标记为D+和D- 的双绞线传输，它们各自使用半双工的差分信号并协同工作，以抵消长导线的电磁干扰。

因为USB设备类型有很多，同时又做了兼容，因此就需要对不同设备进行识别。

这里讲述一下低速、全速和高速设备的识别原理（官方有手册）。

5.1 低速和全速设备识别

低速（Low Speed）和全速（Full Speed）设备区分方法比较简单：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。

低速设备1.5K上拉电阻位于D-

全速设备1.5K上拉电阻位于D+

如下图：

5.2 高速设备识别

（上面）USB低速和全速的识别比较简单，但只有一对D+和D-数据线，高速设备就不能再像上面那样仅依靠数据线上拉电阻来识别。

高速设备初始是以一个全速设备的身份出现，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。

如上图，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。

具体识别过程相对复杂，具体可见下面描述：

6USB更多

更多关于USB协议和标准，可进入官方网站了解。

文档：

https://www.usb.org/documents

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