USB的概念及电气特性

从一个电路说起：

Eg:DP+被拉高具体是什么用途，由USB Controler决定，本电路图中DP+被拉高禁用USB设备.

1.USB

USB：UniversalSerial Bus，中文译为“通用串行总线”，USB设备最显著的优点是具有热插拔功能、传输速率快。USB是主从结构的系统，具有主机和设备这两个角色，即Host和Device。此外，还有两类特殊的USB设备，分别是USB集线器设备(USB Hub)和USB OTG设备。

USB协议版本有：USB1.0、USB1.、USB2.0、USB3.0。

USB1.0和USB1.1只有低速模式(Low-SpeedMode)和全速模式(Full-Speed Mode)，理论上最大传输速率分别为1.5Mbps和12Mbps。

USB2.0引入了传输速度更快的高速模式(High-Speed Mode)，理论上最大传输速率为480Mbps。

USB3.0在速度的提升上，实现了重大飞跃，最大传输速率理论值高达5Gbps。需要注意的是，这些都是理论值，实际开发过程中，不可能达到这些理论值。

在实际开发过程中，不同的传输类型有不同的传输速率，每一次的数据交互，都是一个相当复杂的过程，有令牌包的解析、数据包的传输、握手包的发送等等，这些都是额外的消耗，因此，传输速度是不可能达到理论值。USB有四种传输类型，分别是控制传输、中断传输、块传输、等时传输。

2.USB的电气特性

USB使用差分传输模式，有两条数据线，分别是：

1)USB数据正信号线，USB Data Positive，即USBDP线，简写为D+ 2)USB数据负信号线，USB Data Minus，即USBDM线，简写为D-

剩下的就是电源线(5V-Vbus)和地线(GND)。对于USB OTG设备，会多出一根ID线。

3.USB主机端硬件控制器类型

分别有：OHCI UHCI EHCI XHCI。USB协议版本：1.0/ 1.1/ 2.0/ 3.0与协议规定标准接口的对应OHCI、UHCI都是USB1.1的接口标准;而EHCI是对应USB2.0的接口标准;最新的xHCI是USB3.0的接口标准。

3.1 OHCI

OHCI：Open Host Controller Interface，是USB1.1的标准，不仅仅是针对USB，还支持其他的接口，比如支持Apple的火线(Firewire，IEEE 1394)接口。与UHCI相比，OHCI的硬件复杂，硬件做的事情更多，所以实现对应的软件驱动的任务，就相对较简单。主要用于非x86的USB，如扩展卡、嵌入式开发板的USB主控。

3.2 UHCI

UHCI：Universal Host ControllerInterface，是Intel主导的对USB1.0、1.1的接口标准，与OHCI不兼容。UHCI的软件驱动的任务重，需要做得比较复杂，但可以使用较便宜、较简单的硬件的USB控制器。Intel和VIA使用UHCI，而其余的硬件提供商使用OHCI。

3.3 EHCI

EHCI：Enhanced Host Controller Interface，是Intel主导的USB2.0的接口标准。EHCI仅提供USB2.0的高速功能，而依靠UHCI或OHCI来提供对全速(full-speed)或低速(low-speed)设备的支持。

3.4 xHCI

xHCI：eXtensible Host ControllerInterface，是最新USB3.0的接口标准，它在速度、节能、虚拟化等方面都比前面3中有了较大的提高。xHCI支持所有种类速度的USB设备(USB 3.0的 SuperSpeed; USB 2.0 Low-、Full-、andHigh-speed; USB 1.1 Low- and Full-speed)。xHCI的目的是为了替换前面3种类型(UHCI/OHCI/EHCI)。

4.识别设备的速度模式

对于设备(Device)而言，按照速度来划分，工作在低速模式下的设备称之为低速设备;工作在全速模式下的设备称之为全速设备;同理，工作在高速模式下的设备称之为高速设备。对于主机(Host)而言，只有全速主机和高速主机两种。

4.1识别低速和全速设备

主机的D+和D-都接有15K下拉电阻;全速USB设备的数据线D+接有1.5K的上拉电阻，一旦接入主机，主机的D+被拉高;低速USB设备的数据线D-接有1.5K的上拉电阻，一旦接入主机，主机的D-会被拉高。因此，主机就可以根据检测到自己的D+为高还是D-为高，从而判断接入的设备是一个全速还是低速设备。硬件结构图如下：

图：有USB低速设备接入

图：有USB全速设备接入

4.2识别高速设备

刚开始时，高速设备以全速模式连接到主机，D+有上拉电阻。

主机检测到全速设备连接上之后，对设备进行复位，USB设备收到复位信号，主动发起高速模式的握手协议进行速度识别。接下来，就取决于主机端了，如果主机的USB控制器支持高速模式传输，则主机会与该高速设备交互完成高速模式握手协议，之后，两者都工作在高速模式下;如果主机不支持高速模式传输(如果主机上没有EHCI类型的控制器，像比较老旧的电脑，并且是XP系统的)，那么握手协议就会失败，设备端也不会切换到高速模式，之后两者都工作在全速模式下。

如果是一个全速设备接到高速主机，设备端没法发起高速握手协议，所以，最终设备和主机都会工作在全速模式下。主机具有多种控制器类型，能工作在全速/高速模式下。

全速和高速控制器，都是DP上拉，低速才是DM上拉(配置寄存器的时候，需要注意的地方)。

审核编辑：汤梓红