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。通常有兩種類型的連接器，稱為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。類型A套接字通常會在主機和集線器上找到自己。例如，A型插座在計算機主板和集線器上很常見。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(zhuǎn)換器。這與USB規(guī)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的電纜長度要求。

USB2.0包含勘誤表，介紹了迷你USB B連接器。有關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)布的隨動規(guī)范點對點功能。這將USB主機引入到移動電話和電子設備中，因此包括了mini-a插頭、mini-a插座和mini-AB插座的規(guī)范。我想我們應該很快淹沒在迷你USB電纜和一系列迷你到標準轉(zhuǎn)換器電纜。

標準的內(nèi)部電線顏色用于USB電纜，使其更容易識別不同制造商之間的電線。本標準規(guī)定了電纜的各種電氣參數(shù)。這是有趣的閱讀細節(jié)的原始usb1.0規(guī)范包括。你會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。

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

正如我們所討論的，USB對數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)流中有足夠的轉(zhuǎn)換。在低速和全速設備上，差分“1”通過將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1.5K歐姆電阻拉到3.6V來傳輸。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的速度。因此，術語“J”和“K”狀態(tài)用于表示邏輯電平。在低速下，“J”狀態(tài)是一個差分0。在高速下，“J”狀態(tài)是一個差分1。

USB收發(fā)器將具有差分和單端輸出。某些總線狀態(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，單端零點或SE0可用于表示設備復位。通過保持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行采樣。

低速/全速總線的特性阻抗為90歐姆/-15%。因此，在為D和D-選擇阻抗匹配串聯(lián)電阻器時，必須遵守數(shù)據(jù)表。任何好的數(shù)據(jù)表都應規(guī)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設備必須通過將D線或D線拉高到3.3伏來指示其速度。一個全速設備，如下圖所示，將使用一個連接到D的上拉電阻器來指定自己為全速設備。主機或集線器還將使用設備端的這些上拉電阻器來檢測是否存在連接到其端口的設備。如果沒有上拉電阻，USB假設沒有任何東西連接到總線上。一些設備的硅中內(nèi)置了這個電阻器，可以在固件控制下打開和關閉，而其他設備則需要一個外部電阻器。

例如飛利浦半導體公司有一個軟連接TM公司技術。當?shù)谝淮芜B接到總線時，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上。如果上拉電阻器連接到V公共汽車，則表示插入插頭后設備已連接到總線。當微處理器還沒有開始初始化usb功能設備時，主機可能會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行重新計數(shù)TM公司在他們的EzUSB設備中，一個設備可以枚舉為一個功能，例如在現(xiàn)場編程，然后在固件控制下從總線斷開，并作為另一個不同的設備枚舉，所有這些都不需要用戶抬起眼皮。許多EzUSB設備沒有任何Flash或OTP ROM來存儲代碼。它們在連接時被引導。

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-

您會注意到我們沒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，它將在復位期間發(fā)出高速啁啾聲，并在集線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?shù)牡退賣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的好處之一是總線供電的設備，即從總線獲得電源的設備，不需要外部插頭或額外的電纜。然而，許多人在沒有考慮所有必要標準的情況下，就在這個選擇上躍躍欲試。

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USB功能，

• 低功耗總線供電功能

• 大功率總線供電功能

• 自供電功能

低功耗總線供電功能從V公共汽車不能超過一個單位的負荷。USB規(guī)范將單位負載定義為100mA。低功耗總線供電的功能也必須設計成低至V公共汽車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(diào)節(jié)器是強制性的。

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

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

沒有USB設備，無論是總線供電還是自供電都可以驅(qū)動V公共汽車在它面向上游的港口。如果V公共汽車一旦丟失，該設備將有10秒的時間來切斷用于速度識別的D/D上拉電阻器的電源。

其他V公共汽車考慮的是必須限制的涌流。USB規(guī)范第7.2.4.1段對此進行了概述，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)生的公共汽車和地面。因此，規(guī)范指定設備上的最大去耦電容為10uF。當電流流過感應式USB電纜后斷開設備時，電纜的開口端可能會產(chǎn)生較大的反激電壓。為防止出現(xiàn)這種情況，應使用1uF最小V公共汽車規(guī)定了去耦電容

對于典型的母線供電裝置，其電流不能超過500mA，這是不合理的。你問的復雜程度是什么？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個單元負載設備（默認），最大暫停電流為500uA。這包括來自總線上的上拉電阻器的電流。在集線器上，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。所以這個電阻在我們開始之前就下沉了200uA。

許多設備的另一個考慮因素是3.3V調(diào)節(jié)器。許多USB設備運行在3.3V上。PDIUSBD11就是這樣一個例子。線性調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)器。在大多數(shù)情況下，您還必須減慢或停止微控制器上的時鐘，使其在500uA的限制范圍內(nèi)。

許多開發(fā)人員在USB實現(xiàn)者論壇上問，超過這個限制有什么復雜之處？據(jù)了解，大多數(shù)主機和集線器都無法檢測到如此嚴重的過載，因此，如果你消耗了5毫安甚至10毫安的電流，你還是應該沒事的，記住，在一天結(jié)束時，你的設備違反了USB規(guī)范。然而，在正常運行中，如果您試圖超過100mA或您指定的允許負載，那么希望集線器或主機檢測到這一點并斷開您的設備，以保證總線的完整性。

當然，如果你選擇設計一個自供電的設備，這些設計問題是可以避免的。暫停電流對臺式電腦來說可能不是一個大問題，但隨著移動規(guī)范的引入，我們將開始看到USB主機內(nèi)置在手機和移動組織者中。這些設備的耗電量將對電池的使用壽命產(chǎn)生不利影響。

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

USB有一個開始幀包或保持活動在總線上定期發(fā)送。這可以防止空閑總線在沒有數(shù)據(jù)的情況下進入掛起模式。

• 高速總線每125.0μs±62.5 ns發(fā)送一個微幀。

• 每一個500 ns的總線將以1.000毫秒的速度發(fā)送一幀。

• 一個低速總線將有一個保持活動，即每1ms一個EOP（數(shù)據(jù)包結(jié)束），只有在沒有任何低速數(shù)據(jù)的情況下。

當整個USB總線集體進入掛起模式時，使用術語“全局掛起”。但是，可以通過向設備連接的集線器發(fā)送命令來掛起選定的設備。這被稱為“選擇性暫停”

當接收到任何非空閑信號時，設備將恢復運行。如果一個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。

另一個經(jīng)常被忽視的領域是USB時鐘的容忍度。USB規(guī)范第7.1.11節(jié)對此進行了規(guī)定。

• 高速數(shù)據(jù)的時鐘頻率為480.00Mb/s，數(shù)據(jù)信令公差為±500ppm。

• 全速數(shù)據(jù)的時鐘頻率為12.000Mb/s，數(shù)據(jù)信令公差為±0.25%或2500ppm。

• 低速數(shù)據(jù)的時鐘頻率為1.50Mb/s，數(shù)據(jù)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。