基于DWC2的USB驱动开发-高速设备速度握手详解

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基于DWC2的USB驱动开发-高速设备速度握手详解 (qq.com)

前言

前面我们分析了USB连接和复位的过程, 也知道低速和全速/高速的USB设备分别是上拉DM和DP,主机通过不同的上拉区分接的是低速还是全速/高速设备的。但是怎么区分全速和高速呢？ 这就需要额外的一些握手过程，本篇就来详细介绍该过程。

高速握手过程

 

USB连接检测过程见如下

 

https://mp.weixin.qq.com/s/T6pbLP83IIeJDvM_6ogQDA

 

USB复位过程见

 

https://mp.weixin.qq.com/s/8xKca-XPjZXAiO6MOQVGAQ

 

 

对于低速设备上拉DM，主机检测到该上拉，然后发送复位就完了

 

 

对于全速和高速设备上拉DP，主机检测到该上拉，然后发送复位，接下来是速度握手过程。

 

 

老规矩我们从规格书入手，USB2.0规格书P154中《High-speed Detection Handshake (not performed if low-speed device detected by hub):》有描述整个过程，但是这都是文字描述，不是很直观，所以我们理论结合实践，直接根据真实的波形和规格书的描述对照进行分析。

 

 

在速度握手中，主机（集线器）和设备都需要检测拥有最小持续时间的Chirp J和K, 涉及到两个关键信号Chirp J和K(参见规格书7.1 Signaling或者本系列文章)。

 

 

整个过程如下

 

 

(1)设备使能DP上拉1.5K，如下图的(1)处,此时DP大概3V左右

 

 

 

(2)主机检测到DP拉高，检测到设备连接，发送SE0进行复位

 

 

如上图的(2)，因为时间很短，下面是细节图，可以看到下图SE0状态只维持了8uS,后面就是蓝色线(DM)高于黄色线即Chirp K信号，对应上图的(3)部分。

 

 

回顾一下复位分析那一篇文章，发送放复位会持续50mS，但是接收方在最低2.5uS就可以识别到复位，这里实测是8uS设备就识别到复位然后开始发送Chirp K信号了。

 

 

 

保持D+上的1.5K上拉电阻使能，设备发送Chirp K信号是通过，禁用高速终端电阻，并将高速信号电流驱动到D-线完成的。

 

 

这里有点不理解禁用了终端电阻，电流驱动到D-线,电流环路是什么?

 

 

并且如下可以看到DM有1.2V左右，这个电压是如何来的?

 

 

 

该Chirp K信号必须持续不少于1.0 ms（TUCH），并且在高速复位时间T0点(即主机发出的SE0开始)后不超过7.0 ms（TUCHEND）结束。

 

 

Chirp K持续时间如下所示，这里是2mS，满足上述要求

 

 

 

参数TUCH和TUCHEND的值在手册中的描述如下

 

 

 

上述可以看到Chirp K的信号，DM大概是1.1V左右,比后面的KJ序列高一点。

 

 

(3)主机(集线器)必须在看到chirp K信号持续2.5µs（TFILT）时间以上，后认为检测到设备发出的ChirpK,这里的2.5uS的要是实际是相当于滤波避免干扰。如果主机(集线器)未检测到设备发出的chirp K信号，则必须继续发送SE0，直到复位结束(持续50mS)。

 

 

TFILT参数见规格书如下处说明

 

 

 

在Chirp K状态结束后不超过100µs（TWTDCH），主机（集线器）必须开始发送Chirp K和Chirp J的交替序列，J和K之间不得存在空闲状态。此序列必须持续到复位结束前不超过500µs且不少于100µs的时间（TDCHSE0）（这样的目的是保证总线保持活动状态，防止设备进入高速挂起状态。）。每个单独的Chirp K和Chirp J必须持续不少于40µs且不超过60µs（TDCHBIT）。

 

 

TWTDCH，TDCHSE0，TDCHBIT的参数上图。

 

 

如下图(4)处

 

 

 

细节图如下

 

 

 

如下可以看到要求Chirp K结束100µs（TWTDCH）以内开始后面的KJ序列，实际10uS左右就开始了，满足要求。

 

 

 

如下图所示，主机发送的KJ序列持续了约50mS，即约复位的时间，实际要求是发送到复位结束前的100µs~500uS,这里示波器能力有限就不展示下图右边红色圈处的细节了。

 

 

 

在K-J序列之后，主机(集线器)发送SE0，直到复位结束，即上面说的KJ序列之后100~500uS复位结束。复位结束时，主机(集线器)必须转换到高速启用状态，而不会在数据线上引起任何转换。

 

 

(4)设备这端发送完Chirp K之后监控主机发送的K-J序列。设备端需要至少看到3对K-J序列，即序列Chirp K-J-K-J-K-J才认为是有效的KJ序列。每个单独的Chirp K和Chirp J必须检测不少于2.5µs（TFILT）。

 

 

我们这里看到有持续50uS满足要求

 

 

 

如果设备检测到序列Chirp K-J-K-J-K-J，则检测后不超过500µs（TWTHS），设备需要断开D+上拉电阻器，启用高速终端，并进入高速默认状态。

 

 

如下图所示，这里刚好约500uS左右进行了上述切换，上述切换也导致了DP和DM的电平的变化，原来KJ序列大概是0.8V左右，即主机发送KJ是通过电流17.78mA驱动45欧终端电阻实现的，17.78mA*45即0.8V。而我们又看到后面箭头处的电压下降，是因为正好是上述的设备切换到了高速模式，使能了45Ω终端电阻，所以设备的终端电阻和主机的终端电阻并联只有一般电阻，所以电压就只有一般0.4V左右了。

 

 

 

 

如果设备在完成其自己的Chirp K之后，在不小于1.0ms且不大于2.5ms（TWTFS）的时间内未检测到有效KJ序列，则设备需要恢复到全速默认状态并等待复位结束。

 

 

以上就是整个速度握手的过程，比较细节，我们再做一些总结

 

 

关于整体电压的变化，如下图，有4个等级，图中(1)和(2)之间还有个复位的SE0电平这里就略掉了。

 

 

(1)即设备通过DP上拉,即15K和1.5k的分压,3.3x15/(1.5+15) DP大概3V.

 

 

(2)设备发送Chirp K，DP 1.5K上拉还在，设备终端电阻禁用，实测D-上的电压是大概1.2V，这里的电流路径是什么? 待确定。

 

 

(3)主机发送KJ序列,主机通过驱动17.78mA电流到对应45欧终端电阻,发送KJ，所以DP DM是0.8V

 

 

(4)设备也进入了高速模式，1.5k上拉断开，设备使能了45欧终端电阻，和主机的终端电阻并联，主机继续在发KJ序列，此时主机的17.78mA电流驱动只能产生0.4V的电压。

 

 

 

驱动编写

 

手册P522 5.4.47 DCFG的bit[1:0]DevSpd用于配置设备期望工作过的速度，注意这里是期望，而不是一定，因为还需要速度握手过程，比如这里配置为高速，则还需要看主机是否支持高速。

 

 

 

所以我们需要在初始化时配置该位，告诉控制器后面以该速度去进行速度握手。那么握手结束之后实际是什么速度呢，手册P539的5.4.49 DSTS寄存器的位[2:1]EnumSpd可以看到

 

 

 

在速度握手完成之后还会产生中断，

 

 

手册P369寄存器5.4.7 GINTMSK的位13 EnumDoneMsk设置为1使能，速度握手完成中断。

 

 

 

相应的手册P357寄存器5.4.6 GINTSTS的位13EnumDone为中断标志，写1清除标志

 

 

 

所以驱动的基本过程是

 

 

1.初始化配置DevSpd设置期望的工作速度

 

 

2.配置EnumDoneMsk使能中断，清除标志EnumDone

 

 

3.等待中断，查询实际握手的速度EnumSpd，根据该速度再次重新配置DevSpd设置工作过速度。并清除标志EnumDone。

 

 

以上就完成了整个速度握手过程。

 

 

实际以上逻辑如果是非标主机，可能会存在BUG，后面会有一个实际案例进行分享，先卖个关子以后再单独写一篇文章分享该案例。

 

 

如下图两个箭头处分别对应的是复位中断，和速度握手完成中断

 

 

 

我们通过中断服务函数中打印时间戳(注意要用非阻塞方式)，看到Reset_Intr和High speed之间的时间刚好是50mS(打印的是uS单位)，和图中对应

 

 

 

而我们在usb_dev_crtl_sft_discon(0);使能DP上拉时也加一个打印，即上面connect后打印的时间戳和Reset_Intr之间是50mS，如下图

 

 

 

总结

 

以上介绍了整个速度握手过程，以及设备驱动的编写。重点是结合手册的描述对照波形去看和分析，要了解没以一个实践段，每一个信号，每一个电平的含义和原理，知道那个信号是谁驱动的，为什么是这个波形，一定要自己亲自用示波器去抓波形，而不要使用别人的波形，因为不同的设备可能略有差异，如何去触发，如何去抓波形，也会加深自己的理解。