USB笔记
USB结构
USB是一种Tiered Start（分层星型）拓扑结构。
一个USB总线口最多能连接127个设备（包括HUB）（因Address Field是7b）。
USB最多能接6层，每层的线缆最大长度是5M（USB 1.1及以后的Spec移除了线缆长度限制），因此总的USB连线长度最大是6*5=30M。
所有的USB的初始通信都是由Host发出的，因此Device之间是不能直接通信的。
即使Device需要向Host发送数据，也需要等到Host下次轮询的时候才能发送。
唯一的特例是Device在Suspend模式下，能够主动向Host发送一个“远程唤醒”的信号。
USB电源
USB LS的最大线缆长度要比HS、FS的小。
Device、HUB只能从上游接口取电；
Self-powered（自供电） Device不从USB Bus取电。
使用USB Bus电源的设备称为"bus-powered" device，其能获取100mA的电流；在与Host协商完成后，最大可获取500mA的电流。
接口
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
|---|---|---|---|---|
| Vbus | D- | D+ | ID | 地 |
USB版本与速度
| 速度 | 带宽 | 版本 |
|---|---|---|
| USB Low Speed | 1.5Mbps | 1.0 |
| USB Full Speed | 12Mbps | 1.0 |
| USB High Speed | 480Mbps | 2.0+ |
| USB SuperSpeed | 5Gbps | 3.0+ |
| USB SuperSpeedPlus | 10Gbps | 3.1+ |
SuperSpeed 与 SuperSpeedPlus
SuperSpeed总线能够以双向约460MB/s传输数据，SuperSpeedPlus则能够达1.1GB/s。
USB电气特性
USB使用NRZI编码方式，进行差分信号传输。
USB的数据以LSB的方式传输。
传输信号“1”：
发送方将D+下拉(>2.8V)，并将D-上拉(<0.3V)；
接收方把D+大于D- 200mV当作“1”，把D+小于D- 200mV当作“0”。
USB速度识别
当USB Device未插入时，D+和D-都是0V（因为USB Host端的D+/D-接了15K的下拉电阻接地。
- Full Speed: D+上拉至3.3V
- Low Speed: D-上拉至3.3V
- High Speed: 先作为Full Speed接入，随后协商进入High Speed
USB暂停模式(Suspend Mode)
所有的USB设备都必须支持暂停模式。
如果USB Device的bus连续3毫秒没有数据，将进入暂停模式。
USB每个单元(Unit)允许的最大电流为500uA。例如，某个设备配置为500mA的Max Power，并且启用了“远程唤醒”的功能，那该设备在Suspend模式下可以获取0.5*(500/100)=2.5mA的电流。
USB包
Token（令牌包）
Token包：
| Sync | PID | ADDR | ENDP | CRC5 | EOP |
|---|---|---|---|---|---|
- Sync: 同步头（Low & Full Speed：8位，High Speed：32位）
- PID: 包ID，标记包的类型，用以区分是Token、Data还是Handshake，以及其子类型；4位*2，传输两次PID，第二次取反，这样能够检测错误
- ADDR: 设备地址（1~127），地址0供还未分配ADDR的设备使用
- ENDP: Endpoint，4位
- EOP: End of Packet，SE0+J
Token 包的类型：
- In: 通知Device Host想要读取信息
- Out: 通知Device Host想要发送信息
- Setup: 开始传输控制
Data（数据包）
Data包：
| Sync | PID | Data | CRC16 | EOP |
|---|---|---|---|---|
Data包的类型：
- Data0
- Data1
- Data2 (High Speed)
- MDATA (High Speed)
| 速度 | Data载荷 |
|---|---|
| Low Speed | 8B |
| Full Speed | 1023B |
| High Speed | 1024B |
Handshake（握手包）
Handshaka包：
| Sync | PID | EOP |
|---|---|---|
Handshaka包的类型：
- ACK: 包成功接收
- NAK: 表示Device不能发送或接收数据
或者Host没有数据需要发送/remove - STALL: 表示当前Device的状态需要Host干预
SOF (Start of Frame Marker)
Host每隔1ms发送一次SOF，用于作为Device的时间基准，以及防止Device进入Suspend State（作Keep-alive用）。?
USB 1.1 Host控制器接口Spec
分为两种：
- UHCI(Universal Host Controller Interface)，支持LS、FS，更依赖软件，PC中较为常见。
- OHCI(Open Host Controller Interface)，支持LS、FS，更依赖硬件，嵌入式设备中较常见。
USB 2.0 Host控制器接口Spec
EHCI(Enhanced Host Controller Interface)，只支持HS，LS、FS的传输任务由UHCI或OHCI控制器完成。
USB Endpoint(EP)
USB Endpoint的长度是4b，因此最大EP个数是 2^4，即16个。
Low Speed USB最多只能有4个EP。
所有的Device必须支持对EP0的操作，由于EP0负责了在USB枚举时所有的Device控制、状态请求。
USB的4种传输类型（EP类型）
4种传输类型的比较：
| 名称 | 错误检测 | 时间保证 | 支持Low Speed | 使用场景 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Control | ? | ? | 是 | 命令传输、状态控制 | ? |
| Bulk | 是(CRC16) | 否 | 否 | 大块数据传输 | 在USB总线空闲时，传输最快 |
| Interrupt | ? | ? | 是 | ? | ? |
| Isochronous(同步) | ? | ? | 否 | 有最大的带宽 |
Control传输
Setup Stage:
graph LR
token(SETUP) --> data(DATA0)
data --> hanshake(ACK)
Data Stage:
IN Transaction:
graph LR
token(IN) --> data1(DATA x)
data1 --> |传输正常完成|handshake(ACK)
token --> |传输出错|data2(STALL)
token --> |传输仍在进行|data3(NAK)
OUT Transaction:
graph LR
token(OUT) --> data(DATA x)
data --> |传输正常完成|handshake1(ACK)
data --> |传输出错|handshake2(STALL)
data --> |传输仍在进行|handshake3(NAK)
Status Stage:
IN Transaction:
graph LR
token(OUT) --> data(DATA0, 长度=0)
data --> |传输正常完成|handshake1(ACK)
data --> |传输出错|handshake2(STALL)
data --> |传输仍在进行|handshake3(NAK)
OUT Transaction:
graph LR
token(IN) --> |传输正常完成|data1(DATA0, 长度=0)
data1 --> handshake1(ACK)
token(IN) --> |传输出错|handshake2(STALL)
token(IN) --> |传输仍在进行|handshake3(NAK)
Interrupt传输
Isochronous传输
Bulk传输
USB 枚举
USB Pipe
Pipe（管道）指的是Host与EP之间的逻辑连接关系。
| Pipe类型 | 传输格式 | 支持的传输类型 | 控制方 |
|---|---|---|---|
| Stream Pipe | USB协议没有定义其格式 | Bulk, Isochronous, Interupt | Host与Device |
| Message Pipe | USB协议定义了其格式 | Control | 仅Host |
USB枚举
Windows7 对USB的枚举
Windows7系统默认的USB协议栈没有包括USB3.0
- 等待USB Port稳定
Hub驱动会至少等100ms来确保Port连接稳定。如果超过200ms仍然没有稳定，Hub驱动将不会进行枚举，并且会禁用该。
- 发出第一个Port Reset
Port的状态变为Connected & Enabled，USB Device会响应地址为0的请求。
发出第一个Device Descriptor Request
发出第二个Port Reset
i.MX6处理器的USB
i.MX6处理器的USB主要分为USB Controller以及USB 2.0 PHY两部分。
USB Controller
i.MX6的USB Controller符合USB 2.0的协议，支持High Speed(HS)、Full Speed(FS)以及Low Speed(LS)。 该Controller包含了两种Core：OTG Core以及Host Core（低端的处理器不包含此Core）。
Controller中包含了3个Core。
| Core名称 | 别名 | 接口 | 连接的Port | 备注 |
|---|---|---|---|---|
| Core0 | OTG1 Core | UTMI | OTG1 Port | 支持充电检测（Charge Detection） |
| Core1 | OTG2 Core | UTMI | OTG2 Port | 不支持充电检测 |
| Core2 | Host1 Core | HSCI | Host1 Port |
每个Core都有其独立的中断向量表（除了USB wake-up（唤醒）中断）；USB wake-up中断是由32K时钟驱动的Power Control模块触发的。
OTG Core可以工作在Host模式或者Device模式，其只能与UTMI接口的Phy连接，最大支持8个EP。
Host Core只能工作在Host模式，其只能与HSIC接口连接。
Controller支持两种工作模式：Normal Mode, Low Power Mode。
在Device模式下，Controller能够自动进入Suspend State，而在Host模式下，需要通过Software的方式进入Suspend State（包括OTG Core以及Host Core）。
从Suspend State唤醒时，USB的wake-up中断也能够用来激活ARM platform的时钟。
Host状态下Controller可在如下事件被唤醒：
| 事件 | 说明 |
|---|---|
| 远程唤醒请求 | 设备在DP/DM上发送wake-up信号 |
| 电流过载 | Power Control模块检测到总线上的电流大于一定值(Descriptor预设值?) |
| USB断开 | 设备断开连接导致DP/DM发生改变 |
| USB连接 |
USB Controller的寄存器
Controller的寄存器分为以下三类：
| 寄存器类型 | 读/写 | 说明 |
|---|---|---|
| Identification类寄存器 | 只读? | 用于配置USB硬件参数 |
| Capability类寄存器 | 只读 | 表明当前Controller的功能，以及哪些功能受到限制 |
| Operational类寄存器 | 读/写/写入清除 | 控制Controller的功能 |
Host Data Structure(HDS)
HDS定义了HCD(Host Controller Driver)（软件）与EHC(Enhanced Host Controller)之间控制、传输的接口。
USB 2.0 PHY
i.MX6处理器内部有2个USB 2.0的PHY，支持HS，FS及LS；PHY使用标准的UTMI接口（16位，时钟频率30MHz），与USB Controller连接。
内部?PLL提供了120MHz的时钟源，UTMI进行4分频，获得30MHz的频率。
------------------ -------------------------------------------
| | <----- =Digital Receiver Analog Receiver = <----- USB D+/D-
| USB Controller | -----> =Digital Transmitter Analog Transmitter= -----> USB D-/D+
| | UTMI | USB PHY | USB Cable
------------------ -------------------------------------------
Digital Transmitter/Receiver
在USB HS时，Digital Transmitter从USB Controller接收16b的并行数据，并以30MHz的频率将其串行化为480Mb的HS数据（包括NRZI编码，位填充等）；随后将结果输出至对应HS、FS、LS的Analog Transmitter。
Analog Receiver/Transmitter
- Analog Receiver主要包含了HS差分信号Receiver、静噪Detector、LS/FS差分信号Receiver、HS断开连接Detector、USB插入Detector、单端的USB_DP/USB_DN Receiver、9X过采样模块。
- Analog Transmitter主要包含了HS45Ω电阻、LS/FS差分驱动器、HS差分驱动器、1.5KΩ DP上拉电阻、15KΩ DP下拉电阻。
USB充电检测单元
- 数据线连接检测：当USB插头插入时，电源针脚（USB Vbus、GND）会比数据针脚（DP、DM）先连接上（因为他们长一点）；充电检测单元提供了对DP、DM是否连接上的检测功能。
- 充电器类型检测：充电检测单元能够检测出当前的USB连接是否能进行充电。如果需要区分连接的到底是充电器还是电脑USB，可以通过拉高DP，并检测DN电平的方式来判断充电器类型。
- Deadly Battery Protect：在电池耗尽的设备上插入USB时，充电检测单元能够自动向PMIC报告是否连接到了充电器，使得PMIC能够从USB口获取大于100mA的电流。
参考
USB in a NutShell
USB human interface device class
USB Made Simple
USB Overview
How does USB stack enumerate a device?