单片机外围模块的USB总线基本概念

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1. USB概述
USB设备现在是用的非常普遍的一种接口了,它即插即用的特性给人们带来了很大的方便。在嵌入式的应用中, USB经常被用来作为与上位机通信的接口，还用来通过U盘存储数据等。USB按通讯速度可分为低速，全速和高速设备。在我们的应用中，低速和全速是最为普遍的，在此我们对USB从物理层到协议层做一个简要的介绍。高速USB的原理是一样的，在理解了低速和全速设备的工作原理后再去理解高速设备就比较简单了。
低速(Low Speed, 1.5Mbps):键盘，鼠标，手写笔
全速(Full Speed, 12Mbps):音频
高速(High Speed, 480Mbps):视频
USB协议是开放的，可以从官方网站usb.org下载。

2. 主机，设备(Host, Device)

上图是一个典型的USB全速主机和设备的连接示意图。主机要有对外的供电能力，图中可以看到作为主机的单片机，一个引脚用来控制三极管或MOSFET，提供5V的电源至USB口。设备供电有两种方法：一种是通过USB总线，从主机提供的5V获得，如我们常用的U盘；一种是自己从另外的电源获得，此时主机至设备的电源线可以不连。如果设备的1.5k上拉电阻是加在D-上，那么此设备将被主机识别为低速设备。高速设备的上拉与全速设备一样是加到D+，需要靠软件协议进一步区分。
通过USB总线获得供电的设备，分为两种配置：
低功率设备(Low-power devices): 最大电流不超过100mA
高功率设备(High-power devices): 刚连接后设备后的枚举阶段不超过100mA，配置完成后最大不超过500mA。
USB所有的通讯都是由主机发起。当主机检测到有设备连接时，首先会询问设备，让设备自报家门，看看设备都具备哪些能力，其中就包括最大电流，然后主机根据上报的描述进行相应的操作。

3. USB物理层
有的USB接口会多出一根ID线，以支持OTG(On The Go)。支持OTG的线两端是不一样的，其中一端插到OTG设备时会把设备接口的识别引脚ID拉低，此设备识别到自己的ID拉低后会进入主机状态(Host)，连线另一端的设备ID没有拉低，默认进入设备状态(Device)。之后通过软协议可以主从切换。但是集中这种应用不是太多，一台设备要么作主机，要么作设备的情况比较多。
USB使用的是差分传输模式，有两根数据线D+和D-。
Differential 1：D+ > VOH(min) (2.8V) 且D- < VOL(max)(0.3V)
Differential 0：D- > VOH and D+ < VOL
J状态：对于低速USB是Differential 0，对于全速USB是 Differential 1
K状态：对于低速USB是Differential 1，对于全速USB是 Differential 0
除此之外，通过把D+,D-当作单端信号拉低，拉高，可以表示一些特殊的状态。

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2021-6-4 11:11 上传 单片机外围模块的USB总线基本概念.docx

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