USB系列之第二章：硬件

所有設備都有到主機的上游連接，所有主機都有到設備的下游連接。上游和下游連接器在機械上不可互換，因此消除了集線(xiàn)器上的非法環(huán)回連接，例如連接到下游端口的下游端口。通常有兩種類(lèi)型的連接器，稱(chēng)為A型和B型，如下所示。

A型USB接口	B型USB接口

A型始終面向上游堵頭。類(lèi)型A套接字通常會(huì )在主機和集線(xiàn)器上找到自己。例如，A型插座在計算機主板和集線(xiàn)器上很常見(jiàn)。B型插頭總是連接在下游，因此設備上有B型插座。

有意思的是，在一些電腦商店里可以找到A型到A型的直連電纜和一系列USB性別轉換器。這與USB規范相矛盾。A型插頭到A型插頭設備的唯一一種是用于將兩臺計算機連接在一起的網(wǎng)橋。其他禁止使用的電纜是一端有插頭（a型或B型）另一端有插座的USB分機。這些電纜違反了USB的電纜長(cháng)度要求。

USB2.0包含勘誤表，介紹了迷你USB B連接器。有關(guān)這些連接器的詳細信息，請參閱Mini-B連接器工程變更通知單微型連接器背后的原因來(lái)自于一系列微型電子設備，如手機和組織者。目前的B型連接器太大，不容易集成到這些設備中。

最近發(fā)布的隨動(dòng)規范點(diǎn)對點(diǎn)功能。這將USB主機引入到移動(dòng)電話(huà)和電子設備中，因此包括了mini-a插頭、mini-a插座和mini-AB插座的規范。我想我們應該很快淹沒(méi)在迷你USB電纜和一系列迷你到標準轉換器電纜。

標準的內部電線(xiàn)顏色用于USB電纜，使其更容易識別不同制造商之間的電線(xiàn)。本標準規定了電纜的各種電氣參數。這是有趣的閱讀細節的原始usb1.0規范包括。你會(huì )理解它指定了電氣屬性，但是第6.3.1.2段建議USB電纜上二次成型的建議顏色應該是霜白色-多無(wú)聊！usb1.1和usb2.0比較寬松，推薦黑色、灰色或自然色。

印刷電路板設計人員希望參考第6章中的標準腳印和引線(xiàn)。

除非你是為USB設備/收發(fā)器或USB主機/集線(xiàn)器設計硅，否則你不需要了解第7章中的電氣規格。我們在這里簡(jiǎn)要說(shuō)明要點(diǎn)。

正如我們所討論的，USB對數據使用差分傳輸對。這是使用NRZI編碼的，并且是位填充的，以確保數據流中有足夠的轉換。在低速和全速設備上，差分“1”通過(guò)將D拉到2.8V以上，用15K歐姆的電阻拉到地上，D-在0.3V以下通過(guò)1.5K歐姆電阻拉到3.6V來(lái)傳輸。另一方面，差分“0”是D-大于2.8V，D小于0.3V，具有相同的適當下拉電阻。

接收器將差分“1”定義為D 200mV大于D-，將差分“0”定義為D 200mV小于D-。信號的極性取決于總線(xiàn)的速度。因此，術(shù)語(yǔ)“J”和“K”狀態(tài)用于表示邏輯電平。在低速下，“J”狀態(tài)是一個(gè)差分0。在高速下，“J”狀態(tài)是一個(gè)差分1。

USB收發(fā)器將具有差分和單端輸出。某些總線(xiàn)狀態(tài)由D+、D-或兩者上的單端信號指示。例如，如果保持10毫秒以上，單端零點(diǎn)或SE0可用于表示設備復位。通過(guò)保持D-和D+低（<0.3V）產(chǎn)生SE0。如果您使用收發(fā)器和FPGA作為USB設備，則需要注意單端和差分輸出。您不能僅對差分輸出進(jìn)行采樣。

低速/全速總線(xiàn)的特性阻抗為90歐姆/-15%。因此，在為D和D-選擇阻抗匹配串聯(lián)電阻器時(shí)，必須遵守數據表。任何好的數據表都應規定這些值和公差。

高速（480Mbits/s）模式使用17.78mA恒定電流發(fā)送信號，以降低噪聲。

USB設備必須通過(guò)將D線(xiàn)或D線(xiàn)拉高到3.3伏來(lái)指示其速度。一個(gè)全速設備，如下圖所示，將使用一個(gè)連接到D的上拉電阻器來(lái)指定自己為全速設備。主機或集線(xiàn)器還將使用設備端的這些上拉電阻器來(lái)檢測是否存在連接到其端口的設備。如果沒(méi)有上拉電阻，USB假設沒(méi)有任何東西連接到總線(xiàn)上。一些設備的硅中內置了這個(gè)電阻器，可以在固件控制下打開(kāi)和關(guān)閉，而其他設備則需要一個(gè)外部電阻器。

例如飛利浦半導體公司有一個(gè)軟連接TM公司技術(shù)。當第一次連接到總線(xiàn)時(shí)，這允許微控制器在啟用上拉速度識別電阻器之前初始化USB功能設備，指示設備連接到總線(xiàn)上。如果上拉電阻器連接到V公共汽車(chē)，則表示插入插頭后設備已連接到總線(xiàn)。當微處理器還沒(méi)有開(kāi)始初始化usb功能設備時(shí)，主機可能會(huì )嘗試重置設備并請求描述符。

其他供應商，如賽普拉斯半導體公司也使用可編程電阻器進(jìn)行重新計數TM公司在他們的EzUSB設備中，一個(gè)設備可以枚舉為一個(gè)功能，例如在現場(chǎng)編程，然后在固件控制下從總線(xiàn)斷開(kāi)，并作為另一個(gè)不同的設備枚舉，所有這些都不需要用戶(hù)抬起眼皮。許多EzUSB設備沒(méi)有任何Flash或OTP ROM來(lái)存儲代碼。它們在連接時(shí)被引導。

圖2：全速裝置，上拉電阻器連接至D

圖3：帶上拉電阻器連接到D的低速裝置-

您會(huì )注意到我們沒(méi)有包括高速模式的速度標識。高速設備將以全速設備（1.5k至3.3V）的形式連接。一旦它被連接起來(lái)，它將在復位期間發(fā)出高速啁啾聲，并在集線(xiàn)器支持的情況下建立高速連接。如果設備在高速模式下運行，則移除上拉電阻器以平衡線(xiàn)路。

支持高速模式不需要符合USB 2.0的設備。如果速度不重要，這就可以生產(chǎn)出更便宜的設備。對于不需要支持全速傳輸的低速u(mài)sb1.1設備也是如此。

但是，高速設備不得支持低速模式。它應該只支持全速模式需要先連接，然后高速模式，如果成功協(xié)商后。兼容usb2.0的面向下游的設備（集線(xiàn)器或主機）必須支持所有三種模式，高速、全速和低速。

USB的好處之一是總線(xiàn)供電的設備，即從總線(xiàn)獲得電源的設備，不需要外部插頭或額外的電纜。然而，許多人在沒(méi)有考慮所有必要標準的情況下，就在這個(gè)選擇上躍躍欲試。

USB設備在配置描述符中指定了它的功耗，以2mA為單位，我們將在后面詳細介紹。即使設備失去外部電源，設備也不能增加其功耗（大于枚舉期間指定的值）。有三類(lèi)USB功能，

• 低功耗總線(xiàn)供電功能

• 大功率總線(xiàn)供電功能

• 自供電功能

低功耗總線(xiàn)供電功能從V公共汽車(chē)不能超過(guò)一個(gè)單位的負荷。USB規范將單位負載定義為100mA。低功耗總線(xiàn)供電的功能也必須設計成低至V公共汽車(chē)在裝置的上插塞處測得的電壓為4.40V，最大電壓為5.25V。對于許多3.3V設備，LDO調節器是強制性的。

高功率總線(xiàn)供電的功能將從總線(xiàn)上獲取所有電源，并且在配置之前不能消耗多個(gè)單元負載，之后，如果在描述符中要求，則可以排出5個(gè)單元負載（最大500毫安）。大功率總線(xiàn)功能必須能夠在至少4.40V的電壓下被檢測和計數。在滿(mǎn)負荷運行時(shí)，最小V公共汽車(chē)規定為4.75 V，最大為5.25 V。再次，在上游堵頭處進(jìn)行這些測量。

自供電功能可以從總線(xiàn)上提取1個(gè)單元負載，并從外部電源獲取其余的電源。如果這個(gè)外部電源發(fā)生故障，它必須準備好從總線(xiàn)上提取不超過(guò)1個(gè)單元的負載。自供電功能更容易按照規范設計，因為功耗沒(méi)有太大問(wèn)題。1單元總線(xiàn)供電負載允許檢測和計數沒(méi)有主電源/輔助電源的設備。

沒(méi)有USB設備，無(wú)論是總線(xiàn)供電還是自供電都可以驅動(dòng)V公共汽車(chē)在它面向上游的港口。如果V公共汽車(chē)一旦丟失，該設備將有10秒的時(shí)間來(lái)切斷用于速度識別的D/D上拉電阻器的電源。

其他V公共汽車(chē)考慮的是必須限制的涌流。USB規范第7.2.4.1段對此進(jìn)行了概述，但通常被忽略。浪涌電流是由你的設備上的電容量在V之間產(chǎn)生的公共汽車(chē)和地面。因此，規范指定設備上的最大去耦電容為10uF。當電流流過(guò)感應式USB電纜后斷開(kāi)設備時(shí)，電纜的開(kāi)口端可能會(huì )產(chǎn)生較大的反激電壓。為防止出現這種情況，應使用1uF最小V公共汽車(chē)規定了去耦電容

對于典型的母線(xiàn)供電裝置，其電流不能超過(guò)500mA，這是不合理的。你問(wèn)的復雜程度是什么？可能是掛起模式？

所有設備都必須使用掛起模式。在掛起期間，其他約束將生效。最大懸浮電流與機組負荷成正比。對于1個(gè)單元負載設備（默認），最大暫停電流為500uA。這包括來(lái)自總線(xiàn)上的上拉電阻器的電流。在集線(xiàn)器上，D和D都有15K歐姆的下拉電阻。為了達到功耗的目的，設備上的下拉電阻與1.5K歐姆的上拉電阻串聯(lián)，使得V上的總負載為16.5K歐姆期限通常為3.3v。所以這個(gè)電阻在我們開(kāi)始之前就下沉了200uA。

許多設備的另一個(gè)考慮因素是3.3V調節器。許多USB設備運行在3.3V上。PDIUSBD11就是這樣一個(gè)例子。線(xiàn)性調節器通常效率很低，平均靜態(tài)電流約為600uA，因此需要更高效、更昂貴的調節器。在大多數情況下，您還必須減慢或停止微控制器上的時(shí)鐘，使其在500uA的限制范圍內。

許多開(kāi)發(fā)人員在USB實(shí)現者論壇上問(wèn)，超過(guò)這個(gè)限制有什么復雜之處？據了解，大多數主機和集線(xiàn)器都無(wú)法檢測到如此嚴重的過(guò)載，因此，如果你消耗了5毫安甚至10毫安的電流，你還是應該沒(méi)事的，記住，在一天結束時(shí)，你的設備違反了USB規范。然而，在正常運行中，如果您試圖超過(guò)100mA或您指定的允許負載，那么希望集線(xiàn)器或主機檢測到這一點(diǎn)并斷開(kāi)您的設備，以保證總線(xiàn)的完整性。

當然，如果你選擇設計一個(gè)自供電的設備，這些設計問(wèn)題是可以避免的。暫停電流對臺式電腦來(lái)說(shuō)可能不是一個(gè)大問(wèn)題，但隨著(zhù)移動(dòng)規范的引入，我們將開(kāi)始看到USB主機內置在手機和移動(dòng)組織者中。這些設備的耗電量將對電池的使用壽命產(chǎn)生不利影響。

當總線(xiàn)上沒(méi)有活動(dòng)超過(guò)3.0毫秒時(shí)，USB設備將進(jìn)入掛起狀態(tài)。然后，它還有7ms的時(shí)間來(lái)關(guān)閉設備，并消耗不超過(guò)指定的暫停電流，因此，必須在總線(xiàn)活動(dòng)停止后10mS從總線(xiàn)上提取額定的暫停電流。為了保持與懸掛式集線(xiàn)器或主機的連接，設備在掛起期間仍必須向其上拉速度選擇電阻器供電。

USB有一個(gè)開(kāi)始幀包或保持活動(dòng)在總線(xiàn)上定期發(fā)送。這可以防止空閑總線(xiàn)在沒(méi)有數據的情況下進(jìn)入掛起模式。

• 高速總線(xiàn)每125.0μs±62.5 ns發(fā)送一個(gè)微幀。

• 每一個(gè)500 ns的總線(xiàn)將以1.000毫秒的速度發(fā)送一幀。

• 一個(gè)低速總線(xiàn)將有一個(gè)保持活動(dòng)，即每1ms一個(gè)EOP（數據包結束），只有在沒(méi)有任何低速數據的情況下。

當整個(gè)USB總線(xiàn)集體進(jìn)入掛起模式時(shí)，使用術(shù)語(yǔ)“全局掛起”。但是，可以通過(guò)向設備連接的集線(xiàn)器發(fā)送命令來(lái)掛起選定的設備。這被稱(chēng)為“選擇性暫?！?/span>

當接收到任何非空閑信號時(shí)，設備將恢復運行。如果一個(gè)設備啟用了遠程喚醒，那么它可以向主機發(fā)出信號，從掛起狀態(tài)恢復。

另一個(gè)經(jīng)常被忽視的領(lǐng)域是USB時(shí)鐘的容忍度。USB規范第7.1.11節對此進(jìn)行了規定。

• 高速數據的時(shí)鐘頻率為480.00Mb/s，數據信令公差為±500ppm。

• 全速數據的時(shí)鐘頻率為12.000Mb/s，數據信令公差為±0.25%或2500ppm。

• 低速數據的時(shí)鐘頻率為1.50Mb/s，數據信令公差為±1.5%或15000ppm。

這使得諧振器可以用于低成本的低速設備，但不適用于全速或高速設備。