USB电气特性(缩写).docx

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1、USB 技术USB 的电气特性(之六) 南京大学计算机系周玉军USB(Universal Serial Bus，即通用串行总线)的电气特性主要是对信号的发送及电压分布状况的描述。下面我们将分别对其进展具体介绍，首先来看看其信号的发送。一、信号的发送USB 通常使用一种差分的输出驱动器来掌握数据信号在USB 电缆上的发送，在了解具体的信号发送之前，我们先来谈谈有关USB 设备的特性。(一)USB 驱动器的特性及其使用一个USB 设备端的连接器是由D+、D-及 Vbus，GND 和其它数据线构成的简短连续电路， 并要求连接器上有电缆屏蔽，以免设备在使用过程中被损坏。它有两种工作 7 状态，即低态和

2、高态。在低态时，驱动器的静态输出端的工作电压Vol 变动范围为 03V，且接有一个 15k 的接地负载。处于差分的高态和低态之间的输出电压变动应尽量保持平衡，以能很好地减小信号的扭曲变形。设置估价靠近设备的 USB 连接器上的 D+或 D_插口USB 设备由于 USB 设备上的输入保护设备可能相互排斥，因此当观看数据的输入端口时，可能觉察由电压生成器产生的信号波形可能会变形。图 1USB 信号发送的最大输出波形在任何驱动状态下，USB 设备必需能接收如图 1 所示的波形。这些波形从一个输出阻抗为 3P 的电压源直接进入每一个USB 数据口。下面我们将分别对USB 高速驱动器和低速驱动器的特性作

3、一个介绍. 高速驱动器特性一个高速 USB 设备的连接是通过阻抗为 90 15%，最大单路时延为 26ns 的屏蔽双绞线电缆进展的，其到达的最大速率为12Mb/s，并且每个驱动器的阻抗必需在28 44 之间。图 2 描述了高速驱动器的信号波形。低速驱动器特性一个低速USB 设备在插口端必需要有一个带有串行A 口连接器的可掌握电缆，其速率为 1.5Mb/s。当电缆与设备相连时，在 D+/D-线上必需要有一个 200450PF 的单终端电容器。低速电缆的传播时延必需小于 18ns，从而保证信号响在其上升沿或下降沿的第一个中点处产生，以允许电缆与一块电容器相连。图3 列出了低速驱器的信号波形。图 4

4、 和图 5 分别列出了高速和低速USB 设备在集线器的终端位置及其所连的功能设备。从图我们可以看出在电缆的下形端的电阻Rpu 在两图中的连接位置是不同的：驱动器信号端口单路长电缆时延单电缆时延后接收器信号端口经过信号端口的标准输入电平图 2高速信号波形驱动器信号端口图 3 低速驱动器信号波形经过信号端的标准输出电平，并具有最小的映象和阻尼图 4 高速设备中的Rpu 电阻是接在D+线上的。图 5 低速设备中的Rpu 电阻是接在D-线上的。凹凸速USB 发送器高速 USB发送器主机/HUB 口HUB 上行端或高速设备图 4高速设备电缆和电阻连接低 速 USB凹凸 USB速发送器设备慢 速 旋 转缓

5、冲器主机/HUB 口低速设备图 5 低速设备电缆和电阻连接下形端口处的Rpu 电阻是与地相连的，其电阻为15K 5%。这个 Rpu 电阻的选取要满足肯定的条件，为了在一个复位操作完毕后便利地确定可被执行的总线状态，那么选取 Rpu 时要能使D+/D-线上的电压在 2.5us 的最大复位松驰时间内可在 0Vih 内自由变动。为了满足这一条件，带有可分电缆的设备必需使用加载电压在3.0 3.6U 间阻抗为 1.5K 5%的电阻；而具有可控电缆的设备可以使用两种方法中的任一种。留意：终端电阻不包括主机/HUB 上的 15K 5%的电阻。全部集线器和高速的功能设备上形端口(朝主机方向的)必需使用高速的

6、驱动器，上形集线器端口既可以高速又可以低速来传送数据，但是在信号发送时总是使用高速和边缘速率。低 速数据的传输不转变驱动器的特性，低速设备的上形端口必需使用低速驱动器。全部集线器(包括主机的)外部下形端口必需能适用于两种特性的驱动器，也就是说，任何类型的设备都能被插入这些端口中。当收发器工作在高速模式时，它使用高速和边缘速率来 进展信号的发送；工作在低速时，它使用低速和边缘速率来发送数据。(二)接收器特性一个差分输入接收器用来接收USB 数据信号，当两个差分数据输入处在共同的 0.82.5V的差分模式范围时，如图 6 所示，接收器必需具有至少 200mv 的输入灵敏度。差分输入电压范围差分输出

7、桥电压输入电压范围(Volts)图 6差分输入感抗范围除了差分接收器外，还必需有为两个数据线中任一个所用的单终端接收器，此时该接收器的合并磁滞现象可以减小它们对噪声的灵敏度。在差分信号传送期间，D+和 D-线上的电压可以小于Vih。对于高速传送而言，这个阶段可以连续到 14ns；对于低速传送，可连续到 I/V ns 之久。接收器的规律设备用于保证这种状况不会被当作SE0 态来处理。(三)输入特性没有终端的 D+或 D-的输入阻抗必需大于 300K，一个端口的输入电容量在连结器的端口处量得。上形和下形端口可以有不同值的电容，一个集线器或主机的下形端口所允许的D+或 D-上的最大电容量(差分的或单

8、终端的)为 150pF；带有可分电缆的高速设备的上形端口所允许的D+或 D-上的最大电容量为 100pF。对于有可控电缆的高速设备，它本身在D+和 D-可以有最大电容量为 75pF 的接地电容器，其中电缆为其余的输入电容使用。在该种设备中，单终端输入电容必需与终端所使用的全都，该终端必需能在 2.5us 内掌握D+或D-线上的电压在 0Vih 范围内变动。D+/D-上的电容包括设备单终端输入电容和主机/HUB 的 150pF 的输入电容。上面我们介绍了USB 驱动器和接收器以及输入特性，下面我们将介绍有关 USB 的信号发送状况。首先介绍信号的发送标准。(一)信号的发送标准表 7-1 总的概括

9、了USB 信号的发送标准。(表 7-1)在该表中，J 和 K 这两个数据态是两个规律电平，在系统中，通常被用来进展交换差分数据。差分数据信号的发送并不关心信号经 过处的电平状况，它只要求桥电压在1.32.0 之间。另外，在接收端，空闲态和工作态在规律上分别与J 态和K 态等价。一般而言，数据，空闲及唤醒信号的发送标准均由端口的设备类型所打算。假设连结的是高速设备，则USB 使用所规定的高速率来发送信号 1 并且有很快的上升沿和下降沿时间 1，甚至还可用低速率来发送数据，而对于表7-1 中所示的低速信号发送标准仅用在低速设备与其所连接的端口之间(上升沿和下降沿时间较长)。(二)连结与中断信号的发

10、送USB 设备是一个智能型的设备，当它觉察主机或集线器的下形端口上没有设备连接时， 存在的Rpu 电阻将使D+和 D-上的电压低于主机或集线器端口的单终端电压，此时该端口不是由集线器掌握的，这将在下形端口产生一个 SE0 态。假设主机或集线器不在掌握数据线并且下形端口的SEO 态的持续时间超过 2.5ns，则此时USB 设备将中断信号的发送。假设集线器觉察其中一根数据线上的电压大于它的临界值的持续时间超过 2.5us，则便开头信号的发送。在介绍了有关信号发送的相关状况后，我们将分别对各种信号的发送进展争论。(一)数据信号的发送通过差分信号来实现数据包的传送。通过掌握 D+和 D-线从空闲态到相

11、反的规律电平(K 态)，就可以实现源端口的包发送(SOP)。同步字中的第一位代表了这种在电平上的转换。当它的重发送时间低于5ns 时， 集线器必需对 SOP 中第一位的宽度变化有所限制。可以通过使用具有延迟输出访能的集线器来实现数据的匹配，这样可以使数据失真减小到最小。SE0 态通常用来表示包的发送完毕(EOP)，可以通过掌握 D+和D-两位时到达SEO 态， 然后掌握D+和 D-线一位时后到达J 态，就可实现EOP 信号的发送。从SEO 态到 J 态的变化表示接收端包发送的完毕。J 态持续一个位时，然后D+和 D-上的输出驱动器均处于高阻抗状态，总线尾端的电阻此时掌握总线处于空闲态。图 7

12、列出了包开头和完毕的信号发送波形。总线空闲包的第一位包的最终一位EOP 端总线驱动到J 态总线流淌EOP 的 SE0 局部总线空闲图 7包电压电平(二)复位信号的发送复位就是将一个信号从挂起态唤醒。集线器信号通过掌握端口上的长久的SE0 态来实现对下形端口的复位。复位信号去除后， 设备都将处于缺省状态。信号电平总线状态开头端的源连接器一位时端终端的目标连接器空闲状态：高速N.A.低速唤醒状态包开头SOP包完毕EOP4数据 K 状态数据线从空闲态转到 K 态SE0 近似地为 2 位时 1D-Vihz(min) D+Vil(max) D+Vihz(min) D-Vihz(min) D+Vihz(m

13、in) D-Voh(min) D-200mv(D+)Vih(min)(D+)-(D-)200mv差分的“0”D-Voh(min) D+200mvD-Vih(min)(D-)-(D+)200mv单终端“0”SE0D+和 D-Vol(max)D+和 D-Vil(max)D+和 D-Vih(min)数据 J 态：高速差分的“0”差分的“0”低速差分的“1”差分的“1”数据 K 态：高速差分的“1”差分的“1”低速差分的“0”差分的“0段开连接在下行端口处其后仅接着 1 位时的 J3 N.A.着一位时的 J 态着 J 态SE0 持续时间大于等于 2.5 微秒连接在上行端口处 复位N.A.D+和 D-小

14、于 Vol(max)的持续时间大于等于 10 毫秒空闲态持续时间大于等于 2 毫秒D+和 D-小于 Vil(max)的持续时间大于等于 10 毫秒空闲态持续时间大于等于 2.5 微秒D+和 D-小于 Vil(max)的持续时间大于等于 2.5 微秒注释 1：以位时定义的 EOP 宽度与传送的速度有关。(标准的 EOP 宽度都在表 7-5 和表 7-6 中列出)注释 2：以位时定义的 EOP 宽度与接收EOP 的设备类型有关.位时是近似的.注释 3:仅跟在EOP 后的J 态的宽度以位时来衡量,它与缓冲器的边缘速率有关.来自低速缓冲器的J 态 必需要有低速的位时宽,来自高速的,则必需要有高速的位时

15、宽.注释 4:始终处于活动态的是低速的EOP依据 USB 系统软件的需求，复位信号可在任一个集线器或主机的掌握端口产生，该复位信号的最小持续时间为 10ms。复位后，集线器端口将处于能动状态。USB 系统软件和主机掌握器必需确保发送到根端口的复位信号持续时间足够长以便通知当前正试图进展唤醒 操作的各下形设备。根端口产生的复位信号的持续时间应为 50ms，但并不要求它始终是连续的。然而，假设复位信号不是连续的，则各连续的复位信号间的时间间隔应小于3ms。一个设备假设见其上形端口的SE0 态持续时间超过 2.5us，则它就把该信号作为复位信号处理。在复位信号发送完毕前，它必需已产生作用。当端口处于

16、使能状态后，集线器将传播一个活动信号到的复位端口。连在该端口的设备必需能识别总线的活动性，并要能防止被挂起。在复位信号去除后的 10ms 的复位恢复时间后，集线器必需能接收全部集线器恳求，设备也必需能接收一个SetAddress恳求。假设接收这些恳求失败，则设备将不能被 USB 系统软件所识别。(三)挂起全部的设备都必需能支持挂起状态，并可从任一电平状态进入挂起态。当设备觉察它们 的上形总线上的空闲态持续时间超 3.0ms 时，它们便进入挂起态。当设备的全部端口上的总线不活动时间不超过 10ms 后，设备必需被真正的挂起，此时它仅从总线上获得挂起电流。假设任一其它总线交通缺乏时，SOF 令牌将

17、在每帧中消灭一次，以防止高速设备被挂起。当任一低速设备交通缺乏时，在 SOF 令牌消灭的每一帧中至少有一个低速设备处于活动态， 以避开它们不被挂起。当处在挂起状态时，设备必需连续为它的D+(高速)或 D-(低速)上的 Rpu 电阻供给电压从而维持一个空闲态，这样上形集线器才能为设备维持正确的连结状态。挂起又可分为全局挂起和局部挂起。全局挂起当在总线的任何地方没有通信需要时，就要用到全局挂起，此时全部总线都处在挂起状态。主机通过中止它全部的传送(包括 SOF 令牌)来发送开头全局挂起信号。当总上的每个设备识别总线的空闲态持续适当时间时，它将进入挂起状态。局部挂起可以通过向集线器端口发送 SetP

18、ortFeature(PORT-SUSPEND)来使与其相连的总线局部被挂起，此时处于那局部的设备经过上面所说的适当时延后进入挂起状态。(四)唤醒处在挂起状态的设备，当它的上形端口接收到任一非空闲信号时，它的操作将被唤醒。特别地，假设设备的远程唤醒功能被USB 系统软件开启时，它将自动发信号给系统来唤醒操作。唤醒信号由主机或设备使用，以使一个挂起的总线段回到活动态。集线器在唤醒信号 的生成和传播中起了格外重要的作用。设备唤醒时总有一个先后次序，我们将在后面具体介 绍。USB 系统软件必需供给 10ms 的唤醒恢复时间，在这段时间内，它将不对与被唤醒的局部总线相连的任一设备进展操作。端口的中断与

19、连接也可以使集线器发送一个复位信号，从而唤醒系统，但仅当集线器具有远程唤醒使能时，这些大事才能引起集线器发送唤醒信号。上面介绍了有关几种信号的发送状况，下面将对数据信号的发送做一个具体的争论。(一)数据的编码与解码在包传送时，USB 使用一种NRII(None Return Zero Invert，即无回零反向码)编码方案。在该编码方案中，“1”表示电平不变，“0”表示电平转变。图 8 列出了一个数据流及其它的 NRII 编码，在该图的其次个波形图中，一开头的高电平表示数据线上的J 态，后面就是 NRII 编码。图 8NRZI 数据编码为了确集信号发送的准确性，当在USB 上发送一个包时，传送

20、设备就要进展位插入操作。所谓位插入操作是指在数据被编码前，在数据流中每六个连续的1后插入一个0，从而强迫NRII 码发生变化，如图 9 所示。数据编码序列原始数据数据包同步块位插入位插入数据NRZI 编码后的数据图 9位插入位插入操作从同步格式(如图 10 所示)开头，贯穿于整个传送过程，在同步格式端的数据1作为真正数据流的第一位。位插入操作是由传送端强制执行的，是没有例外的。假设严格遵守位插入规章，甚至在EOP 信号完毕前也要插入一位0位。同步格式NRZI 数据编码空闲图 10同步格式接收端必需能对 NRZI 数据进展解码，识别插入位并去掉它们。假设接收端觉察包中任一处有七个连续的“1”，则

21、将会产生一个位插入错误，该数据包将被无视。关于位的插入有一个特例，那就是刚好在EOP 前的时间间隔，EOP 前的最终一个数据位可能被集线器的转换偏移而拉长，这种状况如图11 所示。传送的数据从传送器来的数据接收的特别位，没有错接收端数据图 11 对 EOP 前的特别位的说明(二)数据信号的发送速率高速数据发送率通常为 12.000Mb/s，主机，集线器和高速设备的数据率误差为 0.25%(2.500ppm)。集线器掌握器的数据率应当准确地知道， 其误差最好掌握在0.05%(500ppm)内。低速数据发送率为 1.50Mb/s，低速功能设备所允许的误差为1.5%(15000ppm)。以上所述的误

22、差，主要由下面的几种状况所引起:负载电容量的影响振荡器上电压供给的稳定性影响温度的影响器件的老化(三)数据源的抖动在数据发送的边缘时间内，数据源可能发生一些变化(即抖动)。处在任何数据变化集间的时间为 N*Tperiod抖动时间，其中 N 为发生变化的位数，Tperiod 为具有肯定范围的数据率的实际时间段。数据抖动的测量与计算最大上升沿和下降沿时所用的负载一样，并且它们在数据线的穿插点处进展测量，如图12。对于高速传送，任何连续的差分数据变化的抖动时间为必需在20ns 内，对于任何一个成对消灭的差分数据变化(Jk 到下一个Jk 的变化或kJ 到下一个kJ 的变化)的抖动时间必需在 1.0ns

23、 内。对于低速传送，任何连续的差分数据变化的抖动时间必需在 25ns 内，而任一成对消灭搓 分数据变化的抖动时间必需在10ns 内。这些抖动的现象包括时间的变化，主要归咎于差分缓冲器的延迟和上升沿及下降沿时间的不匹配，内部时钟抖动，噪声及其他随机因素的影响。差分数据线桥接点抖动连续变化Tperiod 的整数多元化成对的变化图 12 数据抖动分类(四)接收端数据的抖动当抖动存在时，任何设备类型的数据接收必需能正确地对差分数据进展解码。这种状况的抖动可能是由上面所说的时延不匹配所引起，也可能是由源端和目标端数据速率的不匹配所引起。在特定的应用中，只要抖动条件满足，输出驱动器的抖动可能对设备时钟的准

24、确性产生影响。(五)电缆的延迟USB 中传送信号的电缆所允许的时延为26ns，对于一个标准的USB 可分电缆，其时延由从串行A 口连接器端到串行B 口连结端计算而得，并且其值小于26ns；而对于其它电缆，其时延由从串行A 口连结器端到该电缆所连设备端计算而得。(六)电缆的信号衰减对于进展高速信号发送的每根电缆而言，信号对(D+，D-)所允许的最大衰减量如下表7-2 所示。频率 MHZ衰减量最大dB/每根电缆表 7-2 信号时延0.0640.080.2560.110.5120.130.7720.151.0000.204.0000.398.0000.5712.0000.6724.0000.9548

25、.0001.3596.0001.9二、电压分布全部USB 设备的缺省电压为低电压，当设备要从低电压变化到高电压时，则是由软件来掌握的。在允许设备到达高电压之前，软件必需保证有足够的电压可供使用。USB 支持肯定范围的电压来源和电压消耗供给者，包括如下的局部。根端口集线器：它是直接与USB 主机掌握器相连的，并与其一样的电源来源。从外部获得操作电压(AC 或DC)的系统，在每个端口至少支持五个单位负载，这些端口称为高电压端口。由电池组供给电压的系统可以支持一个或五个单位负载。哪些只能支持一个单位负载的端口称为低电压端口。从总线获得电压的集线器：它的全部内部功能设备和下形端口都从它的上形端口的 V

26、bus 上获得电压。在电压上升时，它可以接一个单位负载，经过初始设置后，它可以接五个单位负载。初始设置电压被安排给了集线器，任一固定功能设备和外部端口。它的外部端口只能接一个单位负载，当集线器处于活动或挂起态时，它必需为这个端口供给电流。该种集线器如图 13 所示。下行数据端口上行数据端口集线器掌握器上行 Vbus 可接五个单位调整器负载不行移动功能设备一个单位负载一个单位负载/端口下行 Vbus图 13总线供给电压的集线器自给电压集线器：如图 14 所示，它的任一内部功能设备和下形端口不再从Vbus 上获得电压，但当它的其余局部电压下降时，它的 USB 接口可接一个单位负载并从 Vbus 处

27、获得电压，以允许该接口能工作。从外部(从 USB)获得操作电压的集线器，可在每个端上行Vbus,可接 1 单调整器集线器掌握器下行数据口位负载(max)上行数据口局部电压供调整器不行移动设备给电流限制下行 Vbus电流限制图 14复合的自己电压集线器口接五个单位负载。由电池组供给电压的集线器，每端口可接一个或五个单位负载。从总线获得电压的低电压功能设备，如图15，该种设备上的全部电压均来自Vbus，在任一时刻，它们最多只能接一个单位负载。上行数据端口功能设备上行 Vbus，只接一个单位负载(max)调整器图 15总线供给的低电压功能设备从总线获得电压的高电压设备：如图16 所示，该种设备上的所

28、需电压均来自Vbus。在电压上升时，它们至多只能接一个单位负载，但当时始设置后，可接五个单位负载。上行数据口功能设备掌握器功能设备上行 Vbus,可接 5 单位负载(max)调整器图 16总线供给的高电压功能设备自给电压功能设备，如图 17，当它的其余设备电压下降时，它可以接一个单位负载， 并从Vbus上猎取所需电压，以使USB 接口处于活动状态。上行数据端口功能设备掌握器功能设备上行 Vbus，可接 1个单位负载(max)调整器局部电压供给调整器图 17自给电压功能设备在前面，我们已经讲过HUB 的挂起与唤醒，下面我们来谈谈在这两种状况下的电压分布状况。低电压设备或高电压设备工作低电压下时，

29、它们所允许的挂起电流限制为 500uA，假设一个设备被初始设置为高电压并且具有远程唤醒功能，则在挂起期间，它的电流可到达2.5mA.当一个集线器处在挂起状态时，它必需仍能为每个端口供给最大电流值。对于具有远程唤功能的设备，当它的电压在上升而系统的其余局部仍处于挂起态时，上面的要求是格外必要的。当设备被唤醒时(远程唤醒或由唤醒信号唤醒)，它们此时必需能限制 Vbus 上的流入电压，集线器 Vbus 所允许的最大电压落差为 330mV。设备必需有足够的分流电容器或要有一个可掌握的电压翻开挨次，以便当设备正在被唤醒的任一时间内，从集线器来的电流不能超过端口的最大电流允许值。最终，我们来谈谈设备的动态

30、加载与卸载。插入或拨掉一个集线器或其它功能设备时，不应影响网络中其余设备的正常工作为前 提。卸载掉一个功能设备将中止设备与主机间的通信，此时集线器向主机敏告该端口已被中断。设备从网络中卸去时，电缆的电感系统将在设备电缆的开口端产生一个很大的回流电 压，它是没有破坏性的。但在电缆设备的末端必需有一些小容量的电容器，以保证产生的回流电压不会引起设备端电压极性的转变。但回流电压会产生噪音，通常利用分流电容器进展适当分流以削减噪音，分流电容器对回流电压及其产生的噪声进展缓和。动态加载某设备可能会产生强电流，因而会使HUB 上的Vbus 低于它的最小工作电压， 因此必需引用一些限流装置。在动态加载期间，通过使连结器上的信号端口处于空闲，以使其免受强电流的破坏，这样为了使电压端口首先进展联系。这就保证，在信号端口连接前，分布在下形设备上的电压是可利用的。另外，在连接期间，信号线均处于高阻抗状态，为了使标准信号线上此时没有电流流淌。