全速USB和高速USB的識別過程分析

1 前言

咱們知道USB2.0向下兼容USB1.x，即高速2.0的hub能支持全部的速度類型的設備，而USB1.x的hub不能支持高速設備（High Speed Device）。所以，若是高速設備掛到USB1.x的hub上，那該設備只能工做在全速模式下。不論是hub仍是設備（device），對於速度的區分是很是重要的，不然，後續的通訊根本沒法進行。

2 全速和低速USB的識別

根據規範，全速（Full Speed）和低速（Low Speed）很好區分，由於在設備端有一個1.5k的上拉電阻，當設備插入hub或上電（固定線纜的USB設備）時，有上拉電阻的那根數據線就會被拉高，hub根據D+/D-上的電平判斷所掛載的是全速設備仍是低速設備。以下兩圖：

圖1 全速USB設備的鏈接

圖2 低速USB設備的鏈接

3 高速USB的識別

USB全速/低速識別至關簡單，但USB2.0，USB1.x就一對數據線，不能像全速/低速那樣僅依靠數據線上拉電阻位置就能識別USB第三種速度：高速。所以對於高速設備的識別就顯得稍微複雜些。

高速設備初始是以一個全速設備的身份出現的，即和全速設備同樣，D+線上有一個1.5k的上拉電阻。USB2.0的hub把它看成一個全速設備，以後，hub和設備經過一系列握手信號確認雙方的身份。在這裏對速度的檢測是雙向的，好比高速的hub須要檢測所掛上來的設備是高速、全速仍是低速，高速的設備須要檢測所連上的hub是USB2.0的仍是1.x的，若是是前者，就進行一系列動做切到高速模式工做，若是是後者，就以全速模式工做。

下圖展現了一個高速設備連到USB2.0 hub上的情形：

圖3 高速USB的協商過程

hub檢測到有設備插入/上電時，向主機通報，主機發送Set_Port_Feature請求讓hub復位新插入的設備。設備復位操做是hub經過驅動數據線到復位狀態SE0(Single-ended 0，即D+和D-全爲低電平)，並持續至少10ms。

高速設備看到復位信號後，經過內部的電流源向D-線持續灌大小爲17.78mA電流。由於此時高速設備的1.5k上拉電阻還未撤銷，在hub端，全速/低速驅動器造成一個阻抗爲45歐姆(Ohm)的終端電阻，2電阻並聯後還是45歐姆左右的阻抗，因此在hub端看到一個約800mV的電壓（45歐姆*17.78mA），這就是Chirp K信號。Chirp K信號的持續時間是1ms~7ms。

在hub端，雖然下達了復位信號，並一直驅動着SE0，但USB2.0的高速接收器一直在檢測Chirp K信號，若是沒有Chirp K信號看到，就繼續復位操做,直到復位結束，以後就在全速模式下操做。若是隻是一個全速的hub，不支持高速操做，那麼該hub不理會設備發送的Chirp K信號，以後設備也不會切換到高速模式。

設備發送的Chirp K信號結束後100us內，hub必須開始回覆一連串的KJKJKJ….序列，向設備代表這是一個USB2.0的hub。這裏的KJ序列是連續的，中間不能間斷，並且每一個K或J的持續時間在40us_{60us之間。KJ序列中止後的100}500us內結束復位操做。hub發送Chirp KJ序列的方式和設備同樣，經過電流源向差分數據線交替灌17.78mA的電流實現。

再回到設備端來。設備檢測到6個hub發出的Chirp信號後（3對KJ序列），它必須在500us內切換到高速模式。切換動做有：

1. 斷開1.5k的上拉電阻。
2. 鏈接D+/D-上的高速終端電阻（high-speed termination），實際上就是全速/低速差分驅動器。
3. 進入默認的高速狀態。

執行1，2兩步後，USB信號線上看到的現象就發生變化了：hub發送出來的Chirp KJ序列幅值降到了原先的一半，400mV。這是由於設備端掛載新的終端電阻後，配上原先hub端的終端電阻，並聯後的阻抗是22.5歐姆。400mV就是由17.78mA*22.5Ohm得來。之後高速操做的信號幅值就是400mV而不像全速/低速那樣的3V。

至此，高速設備與USB2.0 hub握手完畢，進行後續的480Mbps高速信號通訊。

最後附上幾幅實際USB高速識別的示波器抓圖，圖中藍色信號是D+,黃色信號是D-。

1. 數據線D+在T點以前掛上1.5K電阻，在T點被host拉成SE0狀態。在近2ms後，設備發送第一個Chirp K，向host通知說：我是一個高速設備，若是可能，請用高速方式與我通訊。其幅度是800mV（17.78mA * (45ohm ||1.5kohm) = 800mV，見上文解釋）。在這裏，Chirp K的持續時間是2.13ms（a，b兩點之間）。

2. 這幅圖顯示了host發出的chirp KJ信號的幅度，頭幾個KJ是800mv（a，b之間），隨後的是400mV。圖中能夠看到設備在收到第三個chirp J（藍色短條）後立刻把1.5k電阻取消，致使chirp J的幅值降低到400mV。(17.78mA * (45Ohm ||45Ohm) = 17.78mA * 22.5Ohm = 400mV)

圖5 示波器截取的高速USB協商過程2

3. 測量了一個chirp J的寬度：43.5us。

圖6 示波器截取的高速USB協商過程3

最後附上一張來自Don Anderson的USB System Architecture裏的USB HS接口圖：