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通用串行总线USB

USB简介

USB(Universal Serial Bus)通用串行总线是由Compaq、Digital Equipment、Intel、Microsoft、IBM、NEC及Northern  Telecom等7家公司联合开发的一种流行的外设接口标准。

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1994年开始研究,

——1996年  USB 1.0 速度只有1.5Mb/s

——1998年  USB 1.1版本

传输速率(两种模式):低速(Low Speed)1.5Mbps

全速(Full Speed)12Mbps

——2000年4月  USB 2.0版本

USB 2.0兼容所有USB 1.0外部设备及电缆线等,传输速率达480Mbps(高速High Speed 系列)。

——2008年11月  USB 3.0版本

最大传输速率高达5.0Gb/s,也就是625MB/s ——Super Speed

引入了新的电源管理机制,支持待机、休眠和暂停等状态。

USB的特性

传输速度快

连接简单快捷

可以热插拔,

通用连接器

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A型连接头用于固定的外围设备;B型连接头用于经常插拔的设备。

无须外接电源 数据线供电

扩充外设能力强

不需要系统资源

USB设备不占用内存或I/O地址空间,而且也占用IRQ和DMA通道,所有事务处理都是由USB主机管理。

错误检测和恢复

USB事务处理包括错误保护机制,确保数据无错误发送。在发生错误时,事务处理可以重来。

USB的电气特性

信号线

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全速/低速USB总线设备连接方法

全速设备:D+上接1.5k上拉电阻;

低速设备: D-上接1.5k上拉电阻

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电气特性

 

收发器:对地电源电压为4.75~5.25V,设备吸入的最大电流值为500mA ,D+、 D-上不加电压。

USB设备:高速在D+上加3.0~3.6V电压, 低速反之。

D+、D-线电气特性:

无驱动:高速VD+ > 2.7V,  VD-<0.8V, 低速反之;

有驱动:高速VD+ > 2.0V,  VD-<2.0V, 低速反之。

D+、D-线信号特性:

高电平:VD+ - VD->200mV,VD+ >2.0V ;

低电平:VD- - VD+ >200mV,VD- >2.0V 。

D+、D-线数据特性:NRZI(不归零反向码)

逻辑0:D+、D-线上电平高、低间跳变;

逻辑1:D+、D-线上电平不变。

USB总线系统中的设备

可以分为三个类型:

–USB主机( USB主控制器/根集线器(USB Host) ):只能有一个,管理USB系统,每秒产生一帧数据;发送配置请求对USB设备进行配置操作,对总线上的错误进行管理和恢复。

–USB 集线器(USB HUB):类似于网络集线器,完成USB设备的添加(扩展)、删除和电源管理等。

–USB总线设备(USB功能外设 USB function)。

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USB2.0 传输协议

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上面是UART协议一个8位数据传输的帧格式。

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上面是SPI协议一个8位数据传输的时序。片选拉低,对应外设被选中,在相应时钟沿进行数据采样,片选拉高停止传输。

基本可以看出,要实现串口通信,想把数据一个接一个的传出去或收回来,至少传输数据前给个开始信号,传输结束后给个停止信号。

USB同样如此,以下是USB通信协议的几个重要概念:

我们定义这样几个状态:假设D+,D-分别表示usb信号线的电平信号。那么对于usb full speed function(high speed ,low speed是不同的),我们定义差分数据线上可能出现的四个状态:

Data J state:D+=1,D-=0;

Data K state:D+=0,D-=1;

SE0:D+=D-=0;

SE1:D+=D-=1;

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