大家好，我是廣元兄。很高興和大家分享信號完整性的相關(guān)知識。希望大家點贊，分享。有什么問題加微交流學(xué)習(xí)，微信號【SI_Basic】。
Slogan：一起學(xué)習(xí)，共同進步！
這是一篇關(guān)于USB通用串行總線的規(guī)范解答。這份技術(shù)文檔在2000年就已經(jīng)發(fā)布。本文檔：1~5章是一些信息概述；6~11章詳細定義USB的技術(shù)信息。
簡單總結(jié)為下面五個部分：
- USB 背景
- USB 架構(gòu)
- USB 通訊協(xié)議
- USB 電性能
- USB 測試
USB背景
1995年，由英特爾與微軟聯(lián)合其他幾家公司組成USB-IF（USB Implement Forum），共同提出，USB(Universal Serial Bus)通用串行總線協(xié)議概念，并推出USB1.1；
2004年，正式推出USB 2.0協(xié)議；
2007年，正式推出USB 3.0協(xié)議。
第三章里面有個USB應(yīng)用分類：
USB架構(gòu)
USB系統(tǒng)有三個方面：
①USB主機
主機是可以提供USB接口及接口管理能力的硬件、軟件及固件的復(fù)合體。USB系統(tǒng)中僅有一個USB主機。
USB 主機在USB體系中負責(zé)設(shè)備連接/移除的檢測、HOST 和設(shè)備之間控制流和數(shù)據(jù)流的管理、傳輸狀態(tài)的收集、總線電源的供給。
②USB設(shè)備
設(shè)備是包含USB功能設(shè)備和USB Hub，最多支持 127個設(shè)備。要說這127的由來，還得從一張我們常見拓撲結(jié)構(gòu)圖：
HOST Root Hub為起點，最多支持7層（Tier）。需要說明的是，Root Hub 是一個特殊的 USB Hub，它集成在主機控制器里，不占用地址。
復(fù)合設(shè)備（Compound Device）可以占用多個地址。所謂復(fù)合設(shè)備其實就是把多個功能設(shè)備通過內(nèi)置的 USB Hub 組合而成的設(shè)備，比如帶錄音話筒的 USB 攝像頭等。
任何一個USB 系統(tǒng)中最多可以允許5個USB Hub級聯(lián)，一個復(fù)合設(shè)備（Compound Device）將同時占據(jù)兩層或更多的層。
一個 USB HOST 最多可以同時支持 128 個地址，地址 0 作為默認地址，只在設(shè)備枚舉期間臨時使用，而不能被分配給任何一個設(shè)備，因此一個 USB HOST 最多可以同時支持 127 個地址，如果一個設(shè)備只占用一個地址，那么可最多支持 127個 USB 設(shè)備（含USB Hub）。
③USB互連
物理上的互連可以理解為USB的傳輸線，在USB 2.0系統(tǒng)中，即為使用屏蔽的雙絞線。
USB主機與設(shè)備的通信方式，包含四個方面：總線拓撲；層間關(guān)系；數(shù)據(jù)流模型；USB 進程。
講物理互連，常見就是A，B接口類型:
還有就是線纜（Cable）:
高速/全速線纜
電源線：紅為VBUS、黑為GND，28~20AWG，不要求絞線;
信號線：白為D-、綠為D+，28AWG，雙絞線（每圈間隔60mm-80mm）;
排擾線（ drain wire ）：28AWG鍍錫銅線;
鍍錫銅編織層：有效區(qū)>65%；
屏蔽層必須端接到連接器插頭以完成組裝。屏蔽層和底盤粘合在一起。用戶為 USB 設(shè)備選擇的接地方案，電纜必須符合公認的行業(yè)慣例和監(jiān)管機構(gòu)的安全和 EMI/ESD/RFI 標準。
線纜除了上面的一些要求，還有一些指標：
- 差分線間skew<100ps；
- 滿足高速/全速的阻抗特性要求(差分90 ? ±15%,共模30 ? ±30%);
- 電壓跌落＜125mV
- 衰減部分的要求見下表：
針對全速信號線纜，有＜26ns的指標，也可以理解為5.2ns/m，這也就是5M線纜長度的經(jīng)驗值。
USB通訊協(xié)議
USB傳輸是向下兼容模式，當有全速 （USB 1.1）或者低速（USB 1.0）設(shè)備連接到高速（USB 2.0）主機時，主機可以通過分離傳輸來支持它們。
USB總線上傳輸數(shù)據(jù)是以包（packet）為基本單位的，必須把不同的包組織成事務(wù)（transaction）才能傳輸數(shù)據(jù)。
所有的傳輸都由主機發(fā)起，任何時刻整個USB體系內(nèi)僅允許一個數(shù)據(jù)包的傳輸。
包（Packet）是USB系統(tǒng)中信息傳輸?shù)幕締卧?，可以理解為USB 總線上數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖钚挝?，組成部分為:
不同的包有不同的數(shù)據(jù)格式，但都以 8 位的 PID 開始。PID 指定了數(shù)據(jù)包的類型（共 16種）。
令牌包：指定數(shù)據(jù)包去向或者來源的設(shè)備地址和端點（Endpoint），從而保證了只有一個設(shè)備作出響應(yīng)。令牌包即指 PID 為 IN/OUT/SETUP的包。
握手包：表示傳輸?shù)某晒εc否。
USB 采用“數(shù)據(jù)包-令牌包-握手包”的傳輸機制。
端點（Endpoint）：USB 設(shè)備中的可以進行數(shù)據(jù)收發(fā)的最小單元，支持單向或者雙向的數(shù)據(jù)傳輸。設(shè)備支持端點的數(shù)量是有限制的，除默認端點外低速設(shè)備最多支持 2 組端點（2 個輸入，2 個輸出），高速和全速設(shè)備最多支持 15 組端點。
管道（Pipe）:主機和設(shè)備端點之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪Ｐ?，USB 設(shè)備通過管道和HOST 通信，共有兩種類型的管道：流和信息管道。
任何USB設(shè)備一旦上電就存在一個信息管道，即默認的控制管道，USB 主機通過該管道來獲取設(shè)備的描述、配置、狀態(tài)，并對設(shè)備進行配置。這是一個枚舉的過程，USB 設(shè)備的即插即用特性即依賴于此。
設(shè)備連接->設(shè)備上電->主機檢測到設(shè)備，發(fā)出復(fù)位(主機通過檢測設(shè)備在總線的上拉電阻檢測到有新的設(shè)備連接)->設(shè)備默認狀態(tài)(設(shè)備接收到復(fù)位信號后，就暫時使用默認地址(00H)來響應(yīng)主機的命令)->地址分配(分配一個空閑的地址，以后設(shè)備就只對該地址進行響應(yīng))->讀取USB設(shè)備描述符(確認USB設(shè)備的屬性)->設(shè)備配置。
這里需要注意的是，如果使用總線供電，設(shè)備掛起（空閑>3ms）時，USB設(shè)備保留了包括其地址和配置信息在內(nèi)的所有內(nèi)部狀態(tài)，設(shè)備的消耗電流不超過500uA。
在默認控制管道上接受并處理以下三種類型的請求：
- 標準請求：11 個。設(shè)備描述、設(shè)置地址、配置描述等。所有USB 設(shè)備均應(yīng)支持這些請求。HOST 通過標準請求來識別和配置設(shè)備。
- 類（class）請求：若干個子類，如Hub 類、大容量存儲器類等。不同的類又定義了若干類請求，該類設(shè)備應(yīng)該支持這些類請求。設(shè)備所屬類在設(shè)備描述符中可以得到。
- 廠商請求：這部分并不是 USB 規(guī)范定義的，而是設(shè)備生產(chǎn)商為了實現(xiàn)一定的功能而自己定義的請求。
前面講了管道和端點，還有接口，這些相互之間是有關(guān)系的，見下圖：
- 一個 USB 設(shè)備可以包括若干個端點，不同的端點以端點編號和方向區(qū)分。不同端點可以支持不同的傳輸類型、訪問間隔以及最大數(shù)據(jù)包大小。
- 用在一起來對設(shè)備進行控制的若干管道稱為設(shè)備的接口。
- 應(yīng)用軟件通過和設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換來完成設(shè)備的控制和數(shù)據(jù)傳輸。通常需要多個管道來完成數(shù)據(jù)交換，因為同一管道只支持一種類型的數(shù)據(jù)傳輸。
和其他總線通過內(nèi)存或I/O訪問操作其功能不同，USB 功能的客戶端軟件可以使用 USB 軟件編程接口來操作其功能，
USB還有個數(shù)據(jù)流模式，在 HSOT端，應(yīng)用軟件（Client SW）不能直接訪問 USB 總線，而必須通過USB系統(tǒng)軟件和USB主機控制器來訪問 USB 總線，在 USB總線上和USB 設(shè)備進行通訊。
從邏輯上可以分為功能層、設(shè)備層和USB總線接口層三個層次：
-
功能層完成功能級的描述、定義和行為；
-
設(shè)備級則完成從功能級到傳輸級的轉(zhuǎn)換，把一次功能級的行為轉(zhuǎn)換為一次一次的基本傳輸；
-
USB 總線接口層則處理總線上的Bit流，完成數(shù)據(jù)傳輸?shù)奈锢韺訉崿F(xiàn)和總線管理。
下圖黑色箭頭代表真實的數(shù)據(jù)流，灰色箭頭代表邏輯上的通訊。
除了上面的一些，還有傳輸類型的分類：
控制傳輸
主要用于在設(shè)備連接時對設(shè)備進行枚舉以及其他因設(shè)備而異的特定操作。
控制傳輸通過控制管道在應(yīng)用軟件和 Device 的控制端點之間進行，控制傳輸過程中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是有格式定義的，USB 設(shè)備或主機可根據(jù)格式定義解析獲得的數(shù)據(jù)含義，其他傳輸類型都沒有格式定義。
中斷傳輸
用于對延遲要求嚴格、小量數(shù)據(jù)的可靠傳輸，如鍵盤、游戲手柄等。
中斷傳輸是一種輪詢的傳輸方式，是一種單向的傳輸。
中斷傳輸?shù)难舆t有保證，但并非實時傳輸，它是一種延遲有限的可靠傳輸，支持錯誤重傳。
批量傳輸
用于對延遲要求寬松，游戲手柄等大量數(shù)據(jù)的可靠傳輸，如U盤等。
批量傳輸是一種可靠的單向傳輸，但延遲沒有保證，它盡量利用可以利用的帶寬來完成傳輸，適合數(shù)據(jù)量比較大的傳輸。
同步傳輸
用于對可靠性要求不高的實時數(shù)據(jù)傳輸，如攝像頭、USB 音響等。
同步傳輸是一種實時的、不可靠的傳輸，不支持錯誤重發(fā)機制。只有高速和全速端點支持同步傳輸。
分離傳輸
在主機控制器和 USB Hub 之間還有另外一種傳輸——分離傳輸（Split Transaction），它僅在主機控制器和 Hub之間執(zhí)行，通過分離傳輸，可以允許全速/低速設(shè)備連接到高速主機。分離傳輸對于USB 設(shè)備來說是透明的、不可見的。
說到USB Hub，它提供了一種低成本、低復(fù)雜度的USB 接口擴展方法。Hub的上行PORT 面向 HOST，下行 PORT 面向設(shè)備（Hub 或功能設(shè)備）。在下行 PORT 上，Hub 提供了設(shè)備連接檢測和設(shè)備移除檢測的能力，并給各下行PORT供電。
Hub可以單獨使能各下行PORT，不同PORT 可以工作不同的速度等級（高速/全速/低速）。
USB Hub由Hub重發(fā)器（Hub Repeater）、轉(zhuǎn)發(fā)器（Transaction Translator）以及Hub 控制器（Hub Controller）三部分組成。
-
Hub重發(fā)器是上行PORT 和下行PORT之間的一個協(xié)議控制的開關(guān)，它負責(zé)高速數(shù)據(jù)包的重生與分發(fā);
-
Hub控制器和 HOST的通信，HOST通過 Hub 類請求和 Hub 控制器通訊，獲得關(guān)于 Hub 本身和下行 PORT 的 Hub 描述符，進行Hub和下行PORT 的監(jiān)控和管理。
-
轉(zhuǎn)發(fā)器提供了從高速和全速/低速通訊的轉(zhuǎn)換能力，通過 Hub 可以在高速 HOST 和全速/低速設(shè)備之間進行匹配。
USB 電性能
速率分類：低速（low-speed）1.5Mb/s，全速（full-speed）12Mb/s，高速（high-speed） 480Mb/s。
VBUS支持的+5V電源，為了提供有保證的輸入電壓電平和適當?shù)慕K端阻抗，偏置終端用于電纜的每一端。端接也允許檢測每個端口的連接和分離并區(qū)分高速/全速和低速設(shè)備。
識別過程：
全速/低速設(shè)備識別很簡單，USB采用在D+或D-線上增加上拉電阻的方法來識別低速和全速設(shè)備。當USB主機探測到D+/D-線的電壓已經(jīng)接近高電平，而其它的線保持接地時，它就知道全速/低速設(shè)備已經(jīng)連了。
高速設(shè)備識別比較復(fù)雜，USB一開始將其當作全速設(shè)備，設(shè)備復(fù)位，內(nèi)部電流源向 D-持續(xù)灌 17.78mA 大小的電流，這時D+端的 1.5K上拉電阻還沒撤銷，兩電阻并聯(lián)約形成45Ω的阻抗，Hub端會有17.78*45≈800mV電壓，這便是Chirp K信號。
設(shè)備檢測到大約6個Chirp K信號，會做出一系列三個動作：①斷開 1.5K 的上拉電阻；②連接 D+/D-上的高速終端電阻（high-speed termination），其實就是全速/ 低速差分驅(qū)動器；③進入高速狀態(tài)。
其實在斷開1.5K上拉電阻的時候，Chirp 信號幅度降到原來的一半400mv，因為設(shè)備端掛載新的終端電阻后，并聯(lián)原來的終端電阻，結(jié)果為 22.5 歐姆，17.78*22.5 ≈ 400mV。
這里需要注意的是，高速設(shè)備操作的信號幅值就是 400mv，而不是全速/低速的 3.3V。
一般來說，F(xiàn)S &LS輸出的低電平電壓0~0.3V；輸出高電平電壓2.8V~3.6V；HS輸出的差分低電平電壓-10~+10mV；輸出差分高電平電壓400mV±10%。
USB數(shù)據(jù)傳輸是用高速電流驅(qū)動器，一種來自正電源的電流源切換到 D+ 或 D 線以分別發(fā)出 J或K信號。有資料會給出，J的標稱差分高速電壓 (D+/D-) 為 400 mV，K為-400 mV。
低速下：D+為“0”，D-為“1”是為“J”狀態(tài)，“K”狀態(tài)相反；全速下：D+為“1”，D-為“0”是為“J”狀態(tài)，“K”狀態(tài)相反；高速同全速。當然還有SE0狀態(tài)和IDLE狀態(tài)，這里不過多展開。
一般來說，Hub下行端口，必須支持高速、全速和低速；Hub上行端口，必須支持高速、全速，不支持低速；所以上行端口的D-線不允許上拉1.5K。
當然，高速/全速/低速驅(qū)動器的特性也是不同的。
低速驅(qū)動器：無阻抗要求，連線與device組合電容（200pF<D+/D-<450pF），Cable傳播延遲小于18nS。
全速驅(qū)動器：
屏蔽的雙絞線，差分阻抗90ohm±15%，共模阻抗30±30%，單線最大延遲26ns；
不支持High-speed的，每條線驅(qū)動器的阻抗要求28~44ohm；
支持High-speed的，每條線驅(qū)動器的阻抗要求40.5~49.5ohm；
高速驅(qū)動器和全速驅(qū)動器大體相同：
輸出驅(qū)動器單端阻抗45?±10%，差分阻抗90?±10%；
下行端口D+或D-下拉15KΩ ±5%電阻到GND；
PCB板內(nèi)走線控制差分阻抗90ohm，延遲可達4ns（長度約20inch以上）。
這個值和實際的設(shè)計要求還是有很大差別的。設(shè)計規(guī)則部分，USB2.0走線長度，直接接終端設(shè)備的拓撲情況，最大長度為304.8mm，也就是12inches經(jīng)驗值，這個標準在Type-C也是一樣的。
后期在USB4的規(guī)范中，會給出相關(guān)的損耗標準，以此來管控相關(guān)風(fēng)險。
這里面需要注意的是，USB的時鐘與差分數(shù)據(jù)一起傳輸、編碼。時鐘編碼方案是帶有位填充的 NRZ-I，以確保足夠的轉(zhuǎn)換。每個數(shù)據(jù)包之前都有一個 SYNC 字段，以允許接收器同步它們的恢復(fù)時鐘。
時鐘部分，USB時鐘為異步，規(guī)范沒有給出具體的時鐘頻率值，只是給出500 ppm指標，這個指標和很多串行信號一樣。還有一個DLL技術(shù)，這個和PLL差不多。網(wǎng)上資料給出的是48MHz。
編碼部分：
NRZ-I(No Return Zero-Inverse) 非歸零反相編碼
在傳輸中，同步頭SYNC為00 01H，15個翻轉(zhuǎn)信號。但是當傳輸連續(xù)的邏輯1位時，NRZ-I編碼后，將保持上一次翻轉(zhuǎn)后的狀態(tài)。這使得接收端無法從中得到同步信號。為此，USB協(xié)議規(guī)定：如果要發(fā)送的數(shù)據(jù)中出現(xiàn)有連續(xù)的6個1，則在進行NRZI編碼前，在這6個連續(xù)的1后面會插入1個0，然后再進行NRZI編碼。接收端收到連續(xù)6個1，將自動去掉后面的1個0。從而恢復(fù)原數(shù)據(jù)。包數(shù)據(jù)傳送多個1的處理。這樣就使得USB通信的接收同步更加可靠。
USB測試
高速模式下，信號要滿足相關(guān)的時序和幅值要求。
下圖為4個測試點。TP1 和 TP4 是其中的點，收發(fā)器 IC 引腳分別焊接到集線器和設(shè)備電路板上。TP2在配對引腳A連接器的TP3位于B連接器的配對引腳上（或者，在有電纜的情況下，其中電纜連接到電路板）。
眼圖模式有6種模板，對應(yīng)不同的標準：
圖片來源于網(wǎng)絡(luò)，侵刪
IR Drop電壓跌落測試
電壓降標準：
• 大功率集線器端口提供的電壓為 4.75 V 至 5.25 V。
• 低功率集線器端口提供的電壓為 4.4 V 至 5.25 V。
• 上游和下游之間所有電纜在GND上的最大電壓降為 125 mV 。
• 所有集線器和功能必須能夠以低至 4.40 V 的電壓提供配置信息。
• 需要一個以上單位負載的功能必須在最低輸入電壓為 4.75 V 的情況下運行。
記得之前設(shè)計的難點，就是在子卡上實現(xiàn)USB3.0功能，而連接就是FPC線纜，這個壓降要求的實現(xiàn)比較難。
但這里給出一個新的思考點：就是上下游電纜GND上的最大電壓降為 125 mV。對這點管控，還是蠻感興趣的。
在做Drop 測試，還有一個知識點需要注意：
USB 支持“總線供電”和“自供電”兩種供電模式。在總線供電模式下，USB2.0設(shè)備最多可以獲得500mA的電流；后期USB3.0給出的是1A電流。
還有一個是Droop測試，測試下行接口插拔瞬間的供電能力，通常外設(shè)插拔瞬間可能會有很大的沖擊電流，可能理解為交流的測試。Drop測試可以理解為直流測試。