主机识别USB设备原理简介

USB（UniversalSerialBus），其中文为通用串行总线，是一个外部总线标准，也是一种输入输出接口的技术规范，被广泛地应用于个人计算机和计算机周边配套的通信。标准USB接口通过四线实现主机跟设备之间的通信连接（Vdd/D+/D-/GND），每台主机最多可以连接127个外部设备，并且不会损失通信速度。常用的电脑周边USB设备有鼠标、键盘、U盘、音响、摄像头等等。那么一台主机（电脑），是如何适时的知道是否有外部USB设备插入电脑USB端口的呢？
 

一、USB端口及设备硬件架构

如下图所示，图（1）为USB主机接口内部示意图，图2为支持全速通信的USB设备端，图3为支持低速通信的USB设备端口。

 

 

二、USB端口插入外部设备识别

1）全速/低速设备插入识别

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。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（图1）；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（D+为高电平，主机判定接入全速设备；如果检测D-为高电平，则接入的USB设备为低速设备）。

 

2）高速设备插入识别

高速设备初始是以一个全速设备的身份出现的，即和全速设备一样，D+线上有一个1.5k的上拉电阻。USB2.0的hub把它当作一个全速设备，之后，主机hub和设备通过一系列握手信号确认双方的身份。在这里对速度的检测是双向的，比如高速的hub需要检测所挂上来的设备是高速、全速还是低速，高速的设备需要检测所连上的hub是USB2.0的还是1.x的，如果是前者，就进行一系列动作切到高速模式工作，如果是后者，就以全速模式工作。

 
  总结下来，高速设备的识别过程如下：

 

 

1）D+/D-上拉电阻确定为全速/高速设备

 

2）主机hub检测到有设备插入，向主机通报，主机发送Set_Port_Feature请求让hub复位新插入的设备。设备复位操作是hub通过驱动数据线到复位状态SE0(Single-ended 0，即D+和D-全为低电平)，并持续至少10ms（中颖设备中产生bus reset信号）。
 

3）如果是高速设备，看到复位信号后，通过内部的电流源向D-线持续灌大小为17.78mA电流。因为此时高速设备D+的1.5k上拉电阻还未撤销，在hub端，全速/低速驱动器形成一个阻抗为45欧姆(Ohm)的终端电阻，两个电阻并联后仍是45欧姆左右的阻抗，所以在hub端看到一个约800mV的电压（45欧姆*17.78mA），这就是Chirp K信号。Chirp K信号的持续时间是1ms~7ms。
 

4）在hub端，虽然下达了复位信号，并一直驱动着SE0，但USB2.0的高速接收器一直在检测Chirp K(D+位0，D-为1)信号，如果没有看到Chirp K信号，就继续复位操作,直到复位结束，之后就在全速模式下操作。如果只是一个全速的hub，不支持高速操作，那么该hub不理会设备发送的Chirp K信号，之后设备也不会切换到高速模式。

设备发送的ChirpK信号结束后100us内，hub必须开始回复一连串的KJKJKJ….（K/J为USB信号端口的两种状态，K状态D+为高D-为低，J状态D+为低D-为高）序列，向设备表明这是一个USB2.0的hub。这里的KJ序列是连续的，中间不能间断，而且每个K或J的持续时间在40us~60us之间。KJ序列停止后的100~500us内结束复位操作。hub发送ChirpKJ序列的方式和设备一样，通过电流源向差分数据线交替灌17.78mA的电流实现。

 

5）设备端确定上述高速流程后，断开D+上拉1.5k电阻并连接D+/D-上的高速终端电阻。
 

三、USB端口设备枚举

通过上述过程，主机只是知道有新的设备插入了，但是不知道插进来个什么东西，所以就开始询问它是什么设备，怎么用，负荷能力怎么样。这个时候就进入了USB协议的枚举过程。USB枚举过程简单来说如下：

1）获取设备描述符

地址：默认为0

主机：发送获取描述符指令包

设备：设备接到包后解析，然后按固定格式返回设备描述符信息

目的：主机获取USB设备的基础属性，比如数据传输方式，数据长度，设备最大电流负荷，USB版本，VID/PID等。

2）配置描述符

分配地址：主机给设备分配一个属于它的地址；

主机：给设备一个地址后，就开始询问设备的具体配置（配置描述符）。

设备：解析主机信息，上传设备配置信息；

目的：配置上传设备描述符、字符串描述符等；HID设备还要上传报告描述符。

到此，主机就已经完全识别了端口插入的设备是什么，将怎么工作。

来源：中颖电子