1 USB简介
USB，是英文Universal Serial Bus（通用串行总线）的缩写，而其中文简称为“通串线”，是一个外部总线标准，用于规范电脑与外部设备的连接和通讯。是应用在PC领域的接口技术。USB接口支持设备的即插即用和热插拔功能。USB是在1994年底由英特尔、康柏、IBM、Microsoft等多家公司联合提出的[1]。
2 USB的发展及现状
2.1 USB发展
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
USB1.0
1.5Mbps(192KB/s)
低速(Low-Speed)
5V/500mA
1996年1月
USB1.1
12Mbps(1.5MB/s)
全速(Full-Speed)
5V/500mA
1998年9月
USB2.0
480Mbps(60MB/s)
高速(High-Speed)
5V/500mA
2000年4月
USB3.0
5Gbps(500MB/s)
超高速(Super-Speed)
5V/900mA
2008年11月 / 2013年12月
USB 3.1Gen 2
10Gbps(1280MB/s)[2] 超高速+(Super-speed+)
20V/5A 2013年12月
表1 USB发展情况
2.2 USB现状
USB 3.0是一种USB规范，该规范由英特尔等公司发起。 USB 3.0 也被认为是SuperSpeedUSB——为那些与PC或音频/高频设备相连接的各种设备提供了一个标准接口。只是个硬件设备[2]，计算机内只有安装USB3.0相关的硬件设备后才可以使用USB3.0相关的功能！从键盘到高吞吐量磁盘驱动器，各种器件都能够采用这种低成本接口进行平稳运行的即插即用连接，用户基本不用花太多心思在上面。新的USB 3.0在保持与USB 2.0的兼容性的同时，还提供了下面的几项增强功能：
1）极大提高了带宽——高达5Gbps全双工（USB2.0则为480Mbps半 双工）。
2）实现了更好的电源管理。
3）能够使主机为器件提供更多的功率，从而实现USB——充电电池、LED照明和迷你风扇等应用。
4）能够使主机更快地识别器件。
5） 新的协议使得数据处理的效率更高。
USB 3.1是最新的USB规范，该规范由英特尔等大公司发起。与现有的USB技术相比，新USB技术使用一个更高效的数据编码系统，并提供一倍以上的有效数据吞吐率(USB IF协会)。它完全向下兼容现有的USB连接器与线缆。 USB 3.1作为下一代的USB传输规格，通常被称为“SuperSpeed+” ，将在未来替代USB 3.0。
1） USB 3.1(SuperSpeed+)将供电的最高允许标准提高到了20V/5A，供电100W。提供更快的充电。
2） USB 3.1支持高达10Gbps的传输速率，具有更快的传输速度。
3） USB 3.1新增USB A/V影音传输，支持手机显示输出。
USB 3.1是一个万能的通用接口，是手机、平板等小型设备所需要的，能够极大提升设备的连接性。而从目前来看，USB 3.1中的Type-C最有可能成为未来的连接标准，提供数据传输、外设连接、显示输出等一体化的连接方案。
3 USB分类
Type-A：标准的Type-A是电脑、电子配件中最广泛的介面标准，鼠标、U盘、数据线上大的一方都是此接口，体积也最大。
Type-B：一般用于打印机、显示器USB HUB等诸多外部USB设备
Type-C：它拥有比Type-A及Type-B均小得多的体积，其大小甚至能与Mini-USB及Micro-USB相媲美，是最新的USB接口外形标准。另外，Type-C是一种既可以应用在PC（主设备）又可以应用在外部设备（从设备）的接口类型，这是划时代的。
伴随USB2.0传输协议诞生也衍生了Mini-USB及Micro-USB接口。它们也都分别分为Type-A和Type-B[3]。到了USB3.0时代，由于传输速度的提升带来了针脚位的提升，因此仅有Type-A USB3.0接口保持与以往形状一样，Type-B和Micro-USB都改变了外形（体积增大）。
4 USB接口回路电路设计
笔记本一般使用的是Type-A和Type-C 类型母口。对于Type-A 类型接口，配备USB 3.0接口。回路如下图1所示
Type-A接口在硬件回路上由一组USB2.0差分信号信号USB_PN2, USB_PP2以及两组USB 3.0差分信号USB32_RX_N, USB32_RX_P, USB32_TX_N, USB32_TX_P组成。在功能上该接口向下兼容USB2.0功能。一般USB的POWER接 5VS或5VA，USB差分线接BEAD或者共模电感一般为EMI需要。末端接TVS是安规要求。
对于Type-C接口回路如下：
图2 Type-C接口回路
在NFSV15XX系列机种上，Type-C 3.0和Type-C 3.1共用同一接口。由于现有平台PCH没有USB3.1接口[4]，故在使用USB3.1通信时需要外加一个转换芯片ASM1142。在NFSV15XX上Type-C3.1包含USB3.1输出传输的功能，但是不支持5V/20A供电输出。同Type-A接口一样，差分信号线接BEAD或者共模电感一般为EMI需要。末端接TVS是安规要求。
图3 USB POWER设计
在电脑插入adapter或者battery时候，+3.3VA_PCH提供Enable信号
，5VA（5VS）电源正常供电。在末端加保险丝，进行过流保护。
5 USB协议
5.1 概述
USB网络采用阶梯式星形拓扑结构，如图示。一个USB网络中只能有一个主机。主机内设置了一个根集线器，提供了主机上的初始附属点。主机定时对集线器的状态进行查询。当一个新设备接入集线器时，主机会检测到集线器状态改变，主机发出一个命令使该端口有效并对其进行设置。位于这个端口上的设备进行响应，主机收到关于设备的信息，主机的操作系统确定对这个设备使用那种驱动程序，接着设备被分配一个唯一标识的地址，范围从0~127，其中0为所有的设备在没有分配惟一地址时使用的默认地址。主机向它发出内部设置请求。当一个设备从总线上移走时，主机就从其可用资源列表中将这个设备删除。总的来说USB网络由主机和设备组成。
5.2 概括
5.3 USB主机
USB的所有数据通信（不论是上行通信还是下行通信）都由USB主机启动，所以USB主机在整个数据传输过程中占据着主导地位。在USB系统中只允许有一个主机。从开发人员的角度看，USB主机可分为三个不同的功能模块：客户软件、USB系统软件和USB总线接口。
1） 客户软件
客户软件负责和USB设备的功能单元进行通信，以实现其特定功能。一般由开发人员自行开发。客户软件不能直接访问USB设备，其与USB设备功能单元的通信必须经过USB系统软件和USB总线接口模块才能实现。客户软件一般包括USB设备驱动程序和界面应用程序两部分[5]。
2）USB系统软件
USB系统软件负责和USB逻辑设备进行配置通信，并管理客户软件启动的数据传输。USB逻辑设备是程序员与USB设备打交道的部分。USB系统软件一般包括USB总线驱动程序和USB主控制器驱动程序这两部分。这些软件通常由操作系统提供，开发人员不必掌握。
3）USB总线接口
USB总线接口包括主控制器和根集线器两部分。根集线器为USB系统提供连接起点，用于给USB系统提供一个或多个连接点（端口）。主控制器负责完成主机和USB设备之间数据的实际传输，包括对传输的数据进行串行编解码、差错控制等。该部分与USB系统软件的接口依赖于主控制器的硬件实现，开发人员不必掌握。
5.3 USB设备
一个USB设备由三个功能模块组成：USB总线接口、USB逻辑设备和功能单元。这里的USB总线接口指的是USB设备中的串行接口引擎（SIE）；USB逻辑设备被USB系统软件看作是一个端点的集合；功能单元被客户软件看作是一个接口的集合。SIE、端点和接口都是USB设备的组成单元。为了更好地描述USB设备的特征，USB提出了设备架构的概念。从这个角度来看，可以认为USB设备是由一些配置、接口和端点组成的，即一个USB设备可以含有一个或多个配置，在每个配置中可含有一个或多个接口，在每个接口中可含有若干个端点。其中，配置和接口是对USB设备功能的抽象，实际的数据传输由端点来完成。在使用USB设备前，必须指明其采用的配置和接口。这个步骤一般是在设备接入主机时设备进行自举时完成的，我们在后面会进一步介绍。USB设备使用各种描述符来说明其设备架构，包括设备描述符、配置描述符、接口描述符、端点描述符以及字符串描述符，它们通常被保存在USB设备的固件程序中。
5.4 物理特性
USB通信格式：
图5 在USB电缆上使用双向不归零编码和差动信号的传输
USB的数据包使用反向不归零编码（NRZI）。上图描述了在USB电缆段上传输信息的步骤。反向不归零编码由传送信息的USB代理程序完成；然后，被编码的数据通过差分驱动器送到USB电缆上；接着，接收器将输入的差分信号进行放大，将其送给解码器。使用该编码和差动信号传输方式可以更好地保证数据的完整性并减少噪声干扰。
图6 反向不归零编码
使用反向不归零编码方式可以保证数据传输的完整性，而且不要求传输过程中有独立的时钟信号。反向不归零编码不是一个新的编码方式。它在许多方面都有应用。上图给出了一个数据流和编码之后的结果。在反向不归零编码时，遇到“0”转换，遇到“1”保持。反向不归零码必须保持与输入数据的同步性，以确保数据采样正确。反向不归零码数据流必须在一个数据窗口被采样，无论前一个位时间是否发生过转换。解码器在每个位时间采样数据以检查是否有转换。
图7 在USB电缆上使用双向不归零编码和差动信号的传输
若重复相同的“1”信号一直进入时，就会造成数据长时间无法转换，逐渐的积累，而导致接收器最终丢失同步信号的状况，使得读取的时序会发生严重的错误。因此，在NRZI编码之间，还需执行所谓的位填充的工作。位填充要求数据流中如果有连续的六个“1”就要强行转换。这样接收器在反向不归零码数据流中最多每七个位就检测到一次跳转。这样就保证了接收器与输入数据流保持同步。反向不归零码的发送器要把“0”（填充位）插到数据流中。接收器必须被设计成能够在连续的六个“1”之后识别一个自动跳转，并且立即扔掉这六个“1”之后的“0”位。
检测设备连接和速度：在USB设备连接时，USB系统能自动检测到这个连接，并识别出其采用的数据传输速率。USB采用在D+或D-线上增加上拉电阻的方法来识别低速和全速设备。USB支持三种类型的传输速率：1.5Mb/s的低速传输、12Mb/s的全速传输和480Mb/s的高速传输。如图后面图所示。当主控制器或集线器的下行端口上没有USB设备连接时，其D+和D-线上的下拉电阻使得这两条数据线的电压都是近地的（0V）；当全速/低速设备连接以后，电流流过由集线器的下拉电阻和设备在D+/D-的上拉电阻构成的分压器。由于下拉电阻的阻值是15KΩ，上拉电阻的阻值是1.5KΩ，所以在D+/D-线上会出现大小为（Vcc*15/（15+1.5））的直流高电平电压。当USB主机探测到D+/D-线的电压已经接近高电平，而其它的线保持接地时，它就知道全速/低速设备已经连接了。
图8 检测设备连接和速度
6 USB通信协议
6.1 包
包（Packet）是USB系统中信息传输的基本单元，所有数据都是经过打包后在总线上传输的。USB包由五部分组成，即同步字段（SYNC）、包标识符字段（PID）、数据字段、循环冗余校验字段（CRC）和包结尾字段（EOP）。
1.SYNC字段:由8位组成，作为每个数据封包的前导，用来产生同步作用，使USB设备与总线的包传输率同步，它的数值固定为00000001。
2.PID字段:用来表示数据封包的类型。包标识符中的校验字段是通过对类型字段的每个位求反码产生的。
表2 PID字段包的类型
- 数据字段:是用来携带主机与设备之间要传递的信息，其内容和长度根据包标识符、传输类型的不同而各不相同。在USB包中，数据字段可以包含设备地址、端点号、帧序列号以及数据等内容。在总线传输中，总是首先传输字节的最低位，最后传输字节的最高位。
(1) 设备地址（ADDR）数据域
ADDR数据域由7位组成，可用来寻址多达127个外围设备。
(2) 端点（ENDP）数据域
ENDP数据域由4位组成。通过这4个位最多可寻址出32个端点。这个ENDP数据域仅用在IN、OUT与SETUP令牌信息包中。对于慢速设备可支持端点0以及端点1作为中断传输模式，而全速设备则可以拥有16个输入端点（IN）与16个输出端点（OUT）共32个端点。
(3) 帧序列号
当USB令牌包的PID为SOF时，其数据字段必须为11位的帧序列号。帧序列号由主机产生，且每个数据帧自动加一，最大数值为0x7FF。当帧序列号达到最大数时将自动从0开始循环。
(4) 数据
它仅存于DATA信息包内，根据不同的传输类型，拥有不同的字节大小，从0到1023字节（实时传输）。
4.循环冗余码CRC字段由不同数目的位所组成。根据不同的信息包类型，CRC数据域由不同数目的位所组成。其中重要的数据信息包采用CRC16的数据域（16个位），而其余的信息包类型则采用CRC5的数据域（5个位）。其中的循环冗余码校验CRC，是一种错误检测技术。由于数据在传输时，有时候会发生错误，因此CRC可根据数据算出一个校验值，然后依此判断数据的正确性 。
5.包结尾字段即发送方在包的结尾发出包结尾信号。USB主机根据EOP判断数据包的结束。
6.2 信息包格式
1.令牌（token）包：在USB系统中，只有主机才能发出令牌包。令牌包定义了数据传输的类型，它是事务处理的第一阶段。令牌包中较为重要的是SETUP、IN和OUT这三个令牌包。它们用来在根集线器和设备端点之间建立数据传输。一个IN包用来建立一个从设备到根集线器的数据传送，一个OUT包用来建立从根集线器到设备的数据传输[6]。
2.数据（data）包：数据封包含有4个域：SYNC、PID、DATA与CRC16。DATA数据域的位值是根据USB设备的传输速度及传输类型而定，且须以8字节为基本单位。也就是，若传输的数据不足8字节，或传输到最后所剩余的也不足8字节，仍须传输8字节的数据域。
3.握手（Handshake）包:握手信息包是最简单的信息包类型。在这个握手信息包中仅包含一个PID数据域而已。
6.3 事务
定义：在USB上数据信息的一次接收或发送的处理过程。类型：事务处理的类型包括输入(IN)事务处理、输出(OUT)事务处理。设置(SETUP)事务处理和帧开始、帧结尾等类型。
处理流程：在输出(OUT)事务处理和设置(SETUP)事务处理中，紧接着SETUP和OUT包后的是DATA包，DATA0和DATA1包是交替地发送的，在DATA包后面，设备将回应一个握手信号，如果设备可以接收数据，就回应ACK包，如果设备忙，就回应NAK包，如果设备出错，则回应STALL包；在IN事务中，IN包后面是设备发来的DATA包或NAK包或STALL包，若设备忙或出错，就发NAK包或STALL包给主机，若设备数据准备好发送，则发DATA包，DATA0和DATA1包也是交替地发送的，紧接着DATA包后面是主机发给设备的握手包，ACK表示主机可以接收数据，NAK包代表主机忙，STALL包代表主机出错。
6.4 USB传输类型
在USB的传输中，制定了4种传输类型：控制传输、中断传输、批量传输以及等时传输。控制传输类型分为2～3个阶段：设置阶段、数据阶段（无数据控制没有此阶段）以及状态阶段。根据数据阶段的数据传输的方向，控制传输又可分为3种类型：控制读取（读取USB描述符）、控制写入（配置USB设备）以及无数据控制。
1．控制传输：控制传输是USB传输中最重要的传输。它包含3种类型：控制读取、控制写入以及无数据控制。这3种控制传输类型又分为2～3个阶段：设置阶段、数据阶段（无数据控制没有此阶段）以及状态阶段。
2．实时传输：实时传输适用于必须以固定速率抵达或在指定时刻抵达，可以容忍偶尔错误的数据上。实时传输一般用于麦克风、喇叭等设备。实时传输只需令牌与数据两个信息包阶段，没有握手包，故数据传错时不会重传。
3．批量传输：用于传输大量数据，要求传输不能出错，但对时间没有要求，适用于打印机、存储设备等。
4．中断传输：中断传输方式总是用于对设备的查询，以确定是否有数据需要传输。因此中断传输的方向总是从USB设备到主机，常用于如键盘、游戏手柄等。
参考文献：
[1]赵晓娜.一种基于STM32的USB接口数据通信方法研究[J].山西电子技术,2021(02):85-87.
[2]苗旺,李彬华,王锦良,陈柄宇,高诗竹.基于USB2.0总线数据侦听的实时幸运成像系统~(*)[J/OL].天文研究与技术:1-12[2021-06-13].https://doi.org/10.14005/j.cnki.issn1672-7673.20210306.001.
[3]陶小亮.基于USB总线的低成本舵偏角采集系统设计与应用[J].电子测量技术,2021,44(02):43-47.
[4]赵一超.基于USB数字电离层斜测接收机设计[J].电脑知识与技术,2020,16(32):1-5.
[5]曾妍. 汽车USB充电器参数检测台设计[D].长春工业大学,2020.
[6]Realtek Semiconductor Corp.; Patent Issued for USB Interface System Capable Of Automatically Adjusting Connection Speed And Power Consumption Capabilities And Method (USPTO 10,684,668)[J]. Electronics Newsweekly, 2020, : 6967-.
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