USB電氣特性縮寫

1、USB技術USB的電氣特性（之六）南京大學計算機系周玉軍USB（UniversalSerialBus,即通用串行總線）的電氣特性主要是對信號的發(fā)送及電壓分布情況的描述。下面我們將分別對其進行詳細介紹，首先來看看其信號的發(fā)送。一、信號的發(fā)送USB通常使用一種差分的輸出驅動器來控制數(shù)據(jù)信號在USB電纜上的發(fā)送，在了解具體的信號發(fā)送之前，我們先來談談有關USB設備的特性。（一）USB驅動器的特性及其使用一個USB設備端的連接器是由D+、D-及Vbus,GND和其它數(shù)據(jù)線構成的簡短連續(xù)電路，并要求連接器上有電纜屏蔽，以免設備在使用過程中被損壞。它有兩種工作7狀態(tài)，即低態(tài)和高態(tài)。在低態(tài)時，驅動器的靜態(tài)輸

2、出端的工作電壓Vol變動范圍為00.3V,且接有一個15kQ的接地負載。處于差分的高態(tài)和低態(tài)之間的輸出電壓變動應盡量保持平衡，以能很好地減小信號的扭曲變形。在任何驅動狀態(tài)下，USB設備必須能接收如圖1所示的波形。這些波形從一個輸出阻抗為3P的電壓源直接進入每一個USB數(shù)據(jù)口。設置估價下面我們將分別對USB高速驅動器和低速驅動器的特性作一個介紹高速驅動器特性一個高速USB設備的連接是通過阻抗為90±15%,最大單路時延為26ns的屏蔽雙絞線電纜進行的，其到達的最大速率為12Mb/s,并且每個驅動器的阻抗必須在2844a之間。圖2描述了高速驅動器的信號波形。低速驅動器特性一個低速USB設

3、備在插口端必須要有一個帶有串行A口連接器的可控制電纜，其速率為1.5Mb/s。當電纜與設備相連時，在D+/D-線上必須要有一個200450PF的單終端電容器。低速電纜的傳播時延必須小于18ns,從而保證信號響在其上升沿或下降沿的第一個中點處產生，以允許電纜與一塊電容器相連。圖3列出了低速驅器的信號波形。圖4和圖5分別列出了高速和低速USB設備在集線器的終端位置及其所連的功能設備。從圖我們可以看出在電纜的下形端的電阻Rpu在兩圖中的連接位置是不同的：OiwBitOneBit經(jīng)過信號端的標準輸出電平，并具有最小的映象和阻尼圖3低速驅動器信號波形圖4高速設備中的圖5低速設備中的Rpu電阻是接在D+線

4、上的。Rpu電阻是接在D-線上的。圖4高速設備電纜和電阻連接圖5低速設備電纜和電阻連接下形端口處的Rpu電阻是與地相連的，其電阻為15K±5%。這個Rpu電阻的選取要滿足一定的條件，為了在一個復位操作結束后方便地確定可被執(zhí)行的總線狀態(tài)，那么選取Rpu時要能使D+/D-線上的電壓在2.5us的最大復位松馳時間內可在0Vih內自由變動。為了滿足這一條件，帶有可分電纜的設備必須使用加載電壓在3.03.6U間阻抗為1.5KQ±5%的電阻；而具有可控電纜的設備可以使用兩種方法中的任一種。注意：終端電阻不包括主機/HUB上的15KQ±5%的電阻。所有集線器和高速的功能設備上形

5、端口（朝主機方向的）必須使用高速的驅動器，上形集線器端口既可以高速又可以低速來傳送數(shù)據(jù)，但是在信號發(fā)送時總是使用高速和邊緣速率。低速數(shù)據(jù)的傳輸不改變驅動器的特性，低速設備的上形端口必須使用低速驅動器。所有集線器（包括主機的）外部下形端口必須能適用于兩種特性的驅動器，也就是說，任何類型的設備都能被插入這些端口中。當收發(fā)器工作在高速模式時，它使用高速和邊緣速率來進行信號的發(fā)送；工作在低速時，它使用低速和邊緣速率來發(fā)送數(shù)據(jù)。（二）接收器特性一個差分輸入接收器用來接收USB數(shù)據(jù)信號，當兩個差分數(shù)據(jù)輸入處在共同的0.82.5V的差分模式范圍時，如圖6所示，接收器必須具有至少200mv的輸入靈敏度。-1.

6、0差分輸入電壓范圍DlfFerenhal Output Crossover 0It/qE Rang。o.fl o.2 o.e ce差分輸出橋電壓輸入電壓范圍（Volts）除了差分接收器外，還必須有為兩個數(shù)據(jù)線中任一個所用的單終端接收器，此時該接收器的合并磁滯現(xiàn)象可以減小它們對噪聲的靈敏度。在差分信號傳送期間，D+和D-線上的電壓可以小于Vih。對于高速傳送而言，這個階段可以延續(xù)到14ns；對于低速傳送，可延續(xù)到I/Vns之久。接收器的邏輯設備用于保證這種情況不會被當作SE0態(tài)來處理。（三）輸入特性沒有終端的D+或D-的輸入阻抗必須大于300KQ,一個端口的輸入電容量在連結器的端口處量得。上形和

7、下形端口可以有不同值的電容，一個集線器或主機的下形端口所允許的D+或D-上的最大電容量（差分的或單終端的）為150pF;帶有可分電纜的高速設備的上形端口所允許的D+或D-上的最大電容量為100pF。對于有可控電纜的高速設備，它本身在D+和D-可以有最大電容量為75pF的接地電容器，其中電纜為其余的輸入電容使用。在該種設備中，單終端輸入電容必須與終端所使用的一致，該終端必須能在2.5us內控制D+或D-線上的電壓在0Vih范圍內變動。D+/D-上的電容包括設備單終端輸入電容和主機/HUB的150pF的輸入電容。上面我們介紹了USB驅動器和接收器以及輸入特性，下面我們將介紹有關USB的信號發(fā)送情況

8、。首先介紹信號的發(fā)送標準。（一）信號的發(fā)送標準表7-1總的概括了USB信號的發(fā)送標準。（表7-1）在該表中，J和K這兩個數(shù)據(jù)態(tài)是兩個邏輯電平，在系統(tǒng)中，通常被用來進行交換差分數(shù)據(jù)。差分數(shù)據(jù)信號的發(fā)送并不關心信號經(jīng)過處的電平情況，它只要求橋電壓在1.32.0之間。另外，在接收端，空閑態(tài)和工作態(tài)在邏輯上分別與J態(tài)和K態(tài)等價。一般而言，數(shù)據(jù)，空閑及喚醒信號的發(fā)送標準均由端口的設備類型所決定。如果連結的是高速設備，則USB使用所規(guī)定的高速率來發(fā)送信號1并且有很快的上升沿和下降沿時間1,甚至還可用低速率來發(fā)送數(shù)據(jù)，而對于表7-1中所示的低速信號發(fā)送標準僅用在低速設備與其所連接的端口之間（上升沿和下降沿時

9、間較長）。（二）連結與中斷信號的發(fā)送USB設備是一個智能型的設備，當它發(fā)現(xiàn)主機或集線器的下形端口上沒有設備連接時，存在的Rpu電阻將使D+和D-上的電壓低于主機或集線器端口的單終端電壓，此時該端口不是由集線器控制的，這將在下形端口產生一個SE0態(tài)。如果主機或集線器不在控制數(shù)據(jù)線并且下形端口的SEO態(tài)的持續(xù)時間超過2.5ns,則此時USB設備將中斷信號的發(fā)送。如果集線器發(fā)現(xiàn)其中一根數(shù)據(jù)線上的電壓大于它的臨界值的持續(xù)時間超過2.5us,則便開始信號的發(fā)送。在介紹了有關信號發(fā)送的相關情況后，我們將分別對各種信號的發(fā)送進行討論。（一）數(shù)據(jù)信號的發(fā)送通過差分信號來實現(xiàn)數(shù)據(jù)包的傳送。通過控制D+和D-線從

10、空閑態(tài)到相反的邏輯電平（K態(tài)），就可以實現(xiàn)源端口的包發(fā)送（SOP）。同步字中的第一位代表了這種在電平上的轉換。當它的重新發(fā)送時間低于土5ns時,集線器必須對SOP中第一位的寬度變化有所限制?？梢酝ㄟ^使用具有延遲輸出使能的集線器來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的匹配，這樣可以使數(shù)據(jù)失真減小到最小。SE0態(tài)通常用來表示包的發(fā)送結束（EOP）,可以通過控制D+和D-兩位時到達SEO態(tài)，然后控制D+和D-線一位時后到達J態(tài)，就可實現(xiàn)EOP信號的發(fā)送。從SEO態(tài)到J態(tài)的變化表示接收端包發(fā)送的結束。J態(tài)持續(xù)一個位時，然后D+和D-上的輸出驅動器均處于高阻抗狀態(tài)，總線尾端的電阻此時控制總線處于空閑態(tài)。圖7列出了包開始和結束的信號

11、發(fā)送波形。（二）復位信號的發(fā)送復位就是將一個信號從掛起態(tài)喚醒。集線器信號通過控制端口上的持久的SE0態(tài)來實現(xiàn)對下形端口的復位。復位信號清除后,設備都將處于缺省狀態(tài)。表7-1信號電平總線狀態(tài)信號電平開始端的源連接器（一位時端）終端的目標連接器需要條件接受條件差分的“1”D+>Voh(min)D-<Vol(max)(D+)-(D-)>200mv(D+)>Vih(min)(D+)-(D-)>200mv差分的“0”D->Voh(min)D+<Vol(max)(D+)-(D+)>200mvD->Vih(min)(D-)-(D+)>200mv單終

12、端“0”（SE0）D+和D-<Vol(max)D+和D-<Vil(max)D+和D-<Vih(min)數(shù)據(jù)J態(tài)：高速低速差分的“0”差分的“1”差分的“0”差分的“1”數(shù)據(jù)K態(tài)：高速低速差分的“1”差分的“0”差分的“1”差分的“0空閑狀態(tài)：高速低速N.A.D->Vihz(min)D+>Vil(max)D+>Vihz(min)D-<Vil(max)D->Vihz(min)D+<Vih(min)D+>Vihz(min)D-<Vih(min)喚醒狀態(tài)數(shù)據(jù)K狀態(tài)數(shù)據(jù)K狀態(tài)包開始（SOP）數(shù)據(jù)線從空1態(tài)轉到K態(tài)包結束（EOP）4SE0近

13、似地為2位時1SE0>1位時2其后僅接SE0>1位時2其后僅接其后僅接著1位時的J3著一位時的J態(tài)著J態(tài)段開連接（在下行端口處）N.A.SE0持續(xù)時間大于等于2.5微秒連接（在上仃端口處）N.A.空閑態(tài)持續(xù)時間大十等于2毫秒空閑態(tài)持續(xù)時間大十等于2.5微秒復位D+和D-小于Vol（max）的持續(xù)時間大于等于10毫秒D+和D-小于Vil（max）的持續(xù)時間大于等于10毫秒D+和D-小于Vil（max）的持續(xù)時間大于等于2.5微秒注釋1:以位時定義的EOP寬度與傳送的速度有關。（標準的EOP寬度都在表7-5和表7-6中列出）注釋2:以位時定義的EOP寬度與接收EOP的設備類型有關.位時

14、是近似的.注釋3:僅跟在EOP后的J態(tài)的寬度以位時來衡量，它與緩沖器的邊緣速率有關.來自低速緩沖器的J態(tài)必須要有低速的位時寬，來自高速的，則必須要有高速的位時寬.注釋4:始終處于活動態(tài)的是低速的EOP根據(jù)USB系統(tǒng)軟件的需求，復位信號可在任一個集線器或主機的控制端口產生，該復位信號的最小持續(xù)時間為10ms。復位后，集線器端口將處于能動狀態(tài)。USB系統(tǒng)軟件和主機控制器必須確保發(fā)送到根端口的復位信號持續(xù)時間足夠長以便通知當前正試圖進行喚醒操作的各下形設備。根端口產生的復位信號的持續(xù)時間應為50ms,但并不要求它一直是延續(xù)的。然而，如果復位信號不是連續(xù)的，則各間斷的復位信號間的時間間隔應小于3ms。

15、一個設備如果見其上形端口的SE0態(tài)持續(xù)時間超過2.5us,則它就把該信號作為復位信號處理。在復位信號發(fā)送結束前，它必須已產生作用。當端口處于使能狀態(tài)后，集線器將傳播一個活動信號到新的復位端口。連在該端口的設備必須能識別總線的活動性，并要能防止被掛起。在復位信號1#除后的10ms的復位恢復時間后，集線器必須能接收所有集線器請求，設備也必須能接收一個SetAddress（）請求。如果接收這些請求失敗，則設備將不能被USB系統(tǒng)軟件所識別。（三）掛起所有的設備都必須能支持掛起狀態(tài)，并可從任一電平狀態(tài)進入掛起態(tài)。當設備發(fā)現(xiàn)它們的上形總線上的空閑態(tài)持續(xù)時間超3.0ms時，它們便進入掛起態(tài)。當設備的所有端口

16、上的總線不活動時間不超過10ms后，設備必須被真正的掛起，此時它僅從總線上獲得掛起電流。如果任一其它總線交通缺乏時，SOF令牌將在每幀中出現(xiàn)一次，以防止高速設備被掛起。當任一低速設備交通缺乏時，在SOF令牌出現(xiàn)的每一幀中至少有一個低速設備處于活動態(tài)，以避免它們不被掛起。當處在掛起狀態(tài)時，設備必須繼續(xù)為它的D+（高速）或D-（低速）上白Rpu電阻提供電壓從而維持一個空閑態(tài)，這樣上形集線器才能為設備維持正確的連結狀態(tài)。掛起又可分為全局掛起和局部掛起。,全局掛起當在總線的任何地方?jīng)]有通信需要時，就要用到全局掛起，此時所有總線都處在掛起狀態(tài)。主機通過中止它所有的傳送（包才SOF令牌）來發(fā)送開始全局掛起

17、信號。當總上的每個設備識別總線的空閑態(tài)持續(xù)適當時間時，它將進入掛起狀態(tài)。,局部掛起可以通過向集線器端口發(fā)送SetPortFeature（PORT-SUSPEND）來使與其相連的總線部分被掛起，此時處于那部分的設備經(jīng)過上面所說的適當時延后進入掛起狀態(tài)。（四）喚醒處在掛起狀態(tài)的設備， 當它的上形端口接收到任一非空閑信號時，它的操作將被喚醒。特別地，如果設備的遠程喚醒功能被 操作。喚醒信號由主機或設備使用， 的生成和傳播中起了十分重要的作用。紹。USB系統(tǒng)軟件開啟時，它將自動發(fā)信號給系統(tǒng)來喚醒以使一個掛起的總線段回到活動態(tài)。集線器在喚醒信號設備喚醒時總有一個先后次序，我們將在后面詳細介USB系統(tǒng)軟件

18、必須提供 10ms的喚醒恢復時間，在這段時間內，它將不對與被喚醒的部分總線相連的任一設備進行操作。端口的中斷與連接也可以使集線器發(fā)送一個復位信號,從而喚醒系統(tǒng)，但僅當集線器具有遠程喚醒使能時，這些事件才能引起集線器發(fā)送喚醒信號。上面介紹了有關幾種信號的發(fā)送情況，下面將對數(shù)據(jù)信號的發(fā)送做一個詳細的討論。（一）數(shù)據(jù)的編碼與解碼在包傳送時， 在該編碼方案中， 它的NRII編碼, 是NRII編碼。USB使用一種NRII（None Return Zero Invert,即無回零反向碼）編碼方案?！?”表示電平不變，“0”表示電平改變。圖 8列出了一個數(shù)據(jù)流及其在該圖的第二個波形圖中，一開始的高電平表示數(shù)

19、據(jù)線上的J態(tài)，后面就DataIdle1 or-LJDDQ1D0110OI LINRZINRZI數(shù)據(jù)編碼為了確集信號發(fā)送的準確性，當在 所謂位插入操作是指在數(shù)據(jù)被編碼前,USB上發(fā)送一個包時，傳送設備就要進行位插入操作。在數(shù)據(jù)流中每六個連續(xù)的1后插入一個0',從而強迫NRII碼發(fā)生變化，如圖9所示。數(shù)據(jù)編碼序列原始數(shù)據(jù)位插入數(shù)據(jù)NRZIIdleEncoded DataNRZI編碼后的數(shù)據(jù)Sync Pattern同步塊LT_LTI-Sync Pattern 一Packet Data位插入Sync Pattern一 Packel Data數(shù)據(jù)包Packet Dat?圖9位插入位插入操作從同步

20、格式（如圖10所示）開始，貫穿于整個傳送過程，在同步格式端的數(shù)據(jù)1'作為真正數(shù)據(jù)流的第一位。位插入操作是由傳送端強制執(zhí)行的，是沒有例外的。如果嚴格遵守位插入規(guī)則，甚至在EOP信號結束前也要插入一位0'位。E同步格式酎NRZI數(shù)據(jù)編碼1-南國空閑圖10同步格式接收端必須能對NRZI數(shù)據(jù)進行解碼，識別插入位并去掉它們。如果接收端發(fā)現(xiàn)包中任一處有七個連續(xù)的“1”，則將會產生一個位插入錯誤，該數(shù)據(jù)包將被忽略。關于位的插入有一個特例，那就是剛好在EOP前的時間間隔，EOP前的最后一個數(shù)據(jù)位可能被集線器的轉換偏移而拉長，這種情況如圖11所示。接收的特別位,沒有錯傳送的數(shù)據(jù)從傳送器來的數(shù)據(jù)接

21、收端數(shù)據(jù)（二）數(shù)據(jù)信號的發(fā)送速率高速數(shù)據(jù)發(fā)送率通常為12.000Mb/s ,主機，集線器和高速設備的數(shù)據(jù)率誤差為土0.25%（2.500ppm）。集線器控制器的數(shù)據(jù)率應該準確地知道，其誤差最好控制在土0.05%（500ppm）內。低速數(shù)據(jù)發(fā)送率為1.50Mb/s，低速功能設備所允許的誤差為±1.5%（15000ppm）。以上所述的誤差，主要由下面的幾種情況所引起： 負載電容量的影響 振蕩器上電壓供應的穩(wěn)定性影響 溫度的影響 器件的老化（三）數(shù)據(jù)源的抖動在數(shù)據(jù)發(fā)送的邊緣時間內，數(shù)據(jù)源可能發(fā)生一些變化（即抖動）。處在任何數(shù)據(jù)變化集間的時間為N*Tperiod土抖動時間，其中N為發(fā)生變化的

22、位數(shù)，Tperiod為具有一定范圍的數(shù)據(jù)率的實際時間段。數(shù)據(jù)抖動的測量與計算最大上升沿和下降沿時所用的負載相同，并且它們在數(shù)據(jù)線的交叉點處進行測量，如圖12。 對于高速傳送，任何連續(xù)的差分數(shù)據(jù)變化的抖動時間為必須在土20ns內，對于任何一個成對出現(xiàn)的差分數(shù)據(jù)變化（Jk到下一個Jk的變化或kJ到下一個kJ的變化）的抖動時間必須在1.0ns內。 對于低速傳送，任何連續(xù)的差分數(shù)據(jù)變化的抖動時間必須在25ns內，而任一成對出現(xiàn)搓分數(shù)據(jù)變化的抖動時間必須在土10ns內。這些抖動的現(xiàn)象包括時間的變化，主要歸咎于差分緩沖器的延遲和上升沿及下降沿時間的不匹配，內部時鐘抖動，噪聲及其他隨機因素的影響。圖12數(shù)據(jù)

23、抖動分類（四）接收端數(shù)據(jù)的抖動當抖動存在時，任何設備類型的數(shù)據(jù)接收必須能正確地對差分數(shù)據(jù)進行解碼。這種情況的抖動可能是由上面所說的時延不匹配所引起，也可能是由源端和目標端數(shù)據(jù)速率的不匹配所引起。在特定的應用中，只要抖動條件滿足，輸出驅動器的抖動可能對設備時鐘的精確性產生影響。（五）電纜的延遲USB中傳送信號的電纜所允許的時延為26ns,對于一個標準的USB可分電纜，其時延由從串行A口連接器端到串行B口連結端計算而得，并且其值小于26ns；而對于其它電纜，其時延由從串行A口連結器端到該電纜所連設備端計算而得。（六）電纜的信號衰減對于進行高速信號發(fā)送的每根電纜而言，信號對（D+,D-）所允許的最大

24、衰減量如下表7-2所示。表7-2信號時延頻率（MHZ衰減量（最大）dB/每根電纜0.0640.080.2560.110.5120.130.7720.151.0000.204.0000.398.0000.5712.0000.6724.0000.9548.0001.3596.0001.9二、電壓分布所有USB設備的缺省電壓為低電壓，當設備要從低電壓變化到高電壓時，則是由軟件來控制的。在允許設備達到高電壓之前，軟件必須保證有足夠的電壓可供使用。USB支持一定范圍的電壓來源和電壓消耗供應者，包括如下的部分。根端口集線器：它是直接與USB主機控制器相連的，并與其相同的電源來源。從外部獲得操彳電壓（AC或

25、DC）的系統(tǒng)，在每個端口至少支持五個單位負載，這些端口稱為高電壓端口。由電池組提供電壓的系統(tǒng)可以支持一個或五個單位負載。哪些只能支持一個單位負載的端口稱為低電壓端口。從總線獲得電壓的集線器：它的所有內部功能設備和下形端口都從它的上形端口的Vbus上獲得電壓。在電壓升高時，它可以接一個單位負載，經(jīng)過初始設置后，它可以接五個單位負載。初始設置電壓被分配給了集線器，任一固定功能設備和外部端口。它的外部端口只能接一個單位負載，當集線器處于活動或掛起態(tài)時，它必須為這個端口提供電流。該種集線器如圖13所示。負載上行數(shù)據(jù)端口上彳f Vbus可接五個單位下行Vbus圖13總線提供電壓的集線器下行數(shù)據(jù)端口自給電

26、壓集線器：如圖14所示，它的任一內部功能設備和下形端口不再從Vbus上獲得電壓，但當它的其余部分電壓下降時，它的USB接口可接一個單位負載并從Vbus處獲得電壓，以允許該接口能工作。從外部（從USB）獲得操作電壓的集線器，可在每個端口接五個單位負載。由電池組提供電壓的集線器，每端口可接一個或五個單位負載。上彳f Vbus,可接1單位負載（max）上行數(shù)據(jù)口下行數(shù)據(jù)口下行Vbus圖14復合的自己電壓集線器從總線獲得電壓的低電壓功能設備，如圖15,該種設備上的所有電壓均來自Vbus,在任一時刻，它們最多只能接一個單位負載。上行數(shù)據(jù)端口上彳V Vbus ,只接一個單位負載(max)功能設備調節(jié)器圖15總線提供的低電壓功能設備從總線獲得電壓的高電壓設備：如圖16所示，該種設備上的所需電壓均來自壓升高時，它們至多只能接一個單位負載，但當初始設置后