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常用通信接口电气特征(七):USB(程序员大本营)

 AMS1117LIB 2021-09-25

USB即通用串行总线,接口、引脚定义及电平在不同代有不同的要求。
一些容易混淆的概念
现在常用USB 2.0和USB 3.x。USB 3.X向下兼容,比2.0多了一对高速差分接收和一对高速差分发送。
USB1和USB2可能用到接口类型有Type A、mini A, micro A、B、mini B、micro B,USB 3.x接口类型改为了A、B、micro B 和 C。2007起,Mini-A和Mini-AB接口已经不再使用。
常用USB接口
USB1.0 和2.0引脚定义:
USB1和2引脚定义
USB3.x引脚定义:
若采用Type A/B则有9 Pin,若采用Type C则有22 pin。USB3.X可以向下兼容USB1和USB2.
若采用Type A/B的usb 3.x:
Type A/B的USB3.x
采用type C的usb 3.x:
typeC接口定义
D+/D-:当USB3接口不可用的时候,这些引脚为USB2信号提供信号通道,因此兼容USB2电平。
Vbus/GND:这些引脚能够为上行数据接口提供100W的供电能力,或者在一些情况下支持点对点供电。
剩余的连接是“非对称”的,也就是说在连接器插入方向错误时这些连接无法正常工作,除非这些端口在电气或逻辑上做了修正,USBs Type-C的非对称连接包含:
Tx1/2,Rx1/2:提供最多2个通道的超速数据链路,实现双向高达20Gbps的带宽。
CC1/CC2:配置通道信号用于连接的发现、配置和管理。请注意它们中仅一个信号用作配置通道,另一个在上行数据端口中用于为USB逻辑供电。
SBU1,SUB2:边带使用(Side Band Use)信号适用于传输非USB信号,它们用于模拟音频模式,也可用于可选(Alternate)模式.
CC(Configuration Channel):配置通道作用:检测USB端口是否连接设备;决定电缆和双绞线的连接方向,以建立USB数据总线路由;在两个端口间,建立“host”和“device”的角色; 发现和配置VBUS; 配置VCONN;发现和配置可选的替代和辅助模式。

传输速率:
USB版本理论最大传输速率速率称号 最大输出电流推出时间
USB 1.01.5Mbps(192KB/s)低速(Low-Speed)5V/500mA1996年1月
USB 1.112Mbps(1.5MB/s)全速(Full-Speed) 5V/500mA1998年9月
USB 2.0480Mbps(60MB/s)高速(High-Speed)5V/500mA2000年4月
USB 3.0(USB 3.1 Gen 1)5Gbps(500MB/s)超高速(Super-Speed)5V/900mA2008年11月 / 2013年12月
USB 3.1 Gen 210Gbps(1212MB/s)超高速+(Super-speed+)20V/5A2013年12月
值得一提的是Thunderbolt 2和3也是采用type C接口,理论最高速度分别为20Gbps和40Gbps。
Note: 若编码无损失,则8bps=1Byte/s=1B/s,若采用8b/10b编码,有效数据为80%,则10bps=1B/s;若采用128b/132b编码,则132b/s=128B/s.
1Gbps=1000kbps=10^6bps; 通讯速率单位
1GB/S=1024kB/s=2^20B/s;计算机数据单位Byte/s
双工类型: USB1和2双工半双工;USB3.X全双工。

电平类型及范围:
USB 2.0:
对于USB 2.0 采用差分线进行数据传输,D+/D-采用(3.3V逻辑电平)。
差分信号高电平:D+>2.8V,D-<0.3V。不直接代表逻辑。
差分信号低电平:D->2.8V, D+<0.3V。不直接代表逻辑。
单端0状态(SE0):D+<0.3V, D-<0.3V;一般用于复位信号,SE0状态维持10ms以上则复位。
单端1状态(SE1):D+>2.8V,D->2.8V;无效状态,一般不出现。
低速下:差分信号高电平(D+>2.8V,D-<0.3V)为K状态,低电平(D->2.8V,D+<0.3V)为J状态;
高速和全速下:差分信号高电平为J状态,低电平(D->2.8V,D+<0.3V)为K状态;
主机默认在D+和D-都有15k电阻下拉,若从机D+有1.5k电阻上拉则为高速或全速设备,若D-有1.5k上拉则为低速设备。
USB低速与高速设备的识别
电平变化与逻辑关系:
差分信号状态并不直接代表数据状态0或1,而是指示逻辑电平有变化。USB采用不归零取反(NRZI)来传输数据,当传输线上的差分数据输入0时就取反,输入1时就保持原值无变化保持1,有变化变为零。当在USB总线上发送一个包时,传输设备就要进行位插入操作(即在数据流中每连续6个1后就插入一个0),从而强迫NRZI码发生变化。
USB的不归零取反编码
空闲(idle)状态:J状态,即数据发送前的总线状态。
挂起(suspend)状态:3ms以上的J状态。
同步(sync)状态:3个KJ状态切换,并跟随2位时间的K状态。
USB同步状态
恢复(Resume)状态:20ms的K状态+低速EOP.
1)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信号结尾。
2)带远程唤醒功能的设备还可以自己发起唤醒型号:前提是设备已经进入idle至少5ms,然后发出唤醒K信号,维持1ms至15ms并由主机在1ms内接管继续驱动唤醒信号。
USB恢复状态
起始(Start of Package, SOP)状态:从空闲状态切换到K状态。
结尾(End of Package,EOP)状态:持续2位时间的SE0状态,随后跟随1位时间的J状态。
数据在USB线里传送是由低位到高位发送的。USB数据是由二进制数字串构成的,首先数字串构成域(有七种),域再构成包(令牌包,数据包,握手包),包再构成事务(IN、OUT、SETUP),事务最后构成传输(中断传输、并行传输、批量传输和控制传输)。
数据包格式:
USB数据包格式
包是USB总线数据传输的最小单位,不能被打断或干扰,否则会引发错误。若干个数据包组成一次事务传输,一次事务传输也不能打断,属于一次事务传输的几个包必须连续,不能跨帧完成。一次传输由一次到多次事务传输构成,可以跨帧完成。
USB事务传输
对于USB3.X高速差分对,电压电平定义有:差分信号电压摆动典型0.5V,最小0.2V,最大0.6V。共模电压最小值为0V,最大为2.2V。
在这里直流量定义为FDC<30 kHz的频率分量,交流定义为FDC> 30 kHz的频率分量.
USB3.X电气规范1
USB3.X电气规范2
USB 3.0 采用8b/10b编码,USB3.1采用128b/132b编码。

传输阻抗:典型90欧,最小72,最大120.
允许并联电容:USB3.0 USB 3.1最大允许265n
支持设备数量:一个接口一对一,USB3.0可以通过hub拓展道32个.
应用场合:
USB应用场合

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