USB2.0主机设备检测过程以及信号分析

一，USB协议发展

USB接口自1994年推出以来，经过30年的发展，从USB1.0发展到了现在的USB4.0，传输速率也从最开始的1.5Mbps，大幅提高到了最新的40Gbps。

USB协议按照速度等级和连接方式分可分为7个版本，但是从USB3.0开始，USB-IF对之前的接口标准重命名了，导致协议名称混乱，市场中的习惯叫法和官方命名不一样，现在USB-IF正式的主版本号只有USB 2.0、USB 3.2和USB4这3个。
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从上表可知，USB2.0根据速度分类，可分为低速（Low Speed）、全速（Full Speed）和高速（High Speed）3个版本。

二，USB2.0速度识别
根据规范，全速（Full Speed）和低速（Low Speed）很好区分，因为在设备端有一个1.5k的上拉电阻，当设备插入hub或上电（固定线缆的USB设备）时，有上拉电阻的那根数据线就会被拉高，hub根据D+/D-上的电平判断所挂载的是全速设备还是低速设备。如下两图：

2.1 USB低速设备连接器的D-接有1.5K的上拉电阻
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2.2 USB高速设备连接器的D+接有1.5K的上拉电阻。
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2.3 高速识别

USB全速/低速识别相当简单，但USB2.0，USB1.x就一对数据线，不能像全速/低速那样仅依靠数据线上拉电阻位置就能识别USB第三种速度：高速。因此对于高速设备的识别就显得稍微复杂些。

高速设备初始是以一个全速设备的身份出现的，即和全速设备一样，D+线上有一个1.5k的上拉电阻。USB2.0的hub把它当作一个全速设备，之后，hub和设备通过一系列握手信号确认双方的身份。在这里对速度的检测是双向的，比如高速的hub需要检测所挂上来的设备是高速、全速还是低速，高速的设备需要检测所连上的hub是USB2.0的还是1.x的，如果是前者，就进行一系列动作切到高速模式工作，如果是后者，就以全速模式工作。

下图展示了一个高速设备连到USB2.0 hub上的情形：
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hub检测到有设备插入/上电时，向主机通报，主机发送Set_Port_Feature请求让hub复位新插入的设备。设备复位操作是hub通过驱动数据线到复位状态SE0(Single-ended 0，即D+和D-全为低电平)，并持续至少10ms。

高速设备看到复位信号后，通过内部的电流源向D-线持续灌大小为17.78mA电流。因为此时高速设备的1.5k上拉电阻还未撤销，在hub端，全速/低速驱动器形成一个阻抗为45欧姆(Ohm)的终端电阻，2电阻并联后仍是45欧姆左右的阻抗，所以在hub端看到一个约800mV的电压（45欧姆*17.78mA），这就是Chirp K信号。Chirp K信号的持续时间是1ms~7ms。

在hub端，虽然下达了复位信号，并一直驱动着SE0，但USB2.0的高速接收器一直在检测Chirp K信号，如果没有Chirp K信号看到，就继续复位操作,直到复位结束，之后就在全速模式下操作。如果只是一个全速的hub，不支持高速操作，那么该hub不理会设备发送的Chirp K信号，之后设备也不会切换到高速模式。

设备发送的Chirp K信号结束后100us内，hub必须开始回复一连串的KJKJKJ…序列，向设备表明这是一个USB2.0的hub。这里的KJ序列是连续的，中间不能间断，而且每个K或J的持续时间在40us_{60us之间。KJ序列停止后的100}500us内结束复位操作。hub发送Chirp KJ序列的方式和设备一样，通过电流源向差分数据线交替灌17.78mA的电流实现。

再回到设备端来。设备检测到6个hub发出的Chirp 信号后（3对KJ序列），它必须在500us内切换到高速模式。切换动作有：

断开1.5k的上拉电阻。
连接D+/D-上的高速终端电阻（high-speed termination），实际上就是全速/低速差分驱动器。
进入默认的高速状态。

执行1，2两步后，USB信号线上看到的现象就发生变化了：hub发送出来的Chirp KJ序列幅值降到了原先的一半，400mV。这是因为设备端挂载新的终端电阻后，配上原先hub端的终端电阻，并联后的阻抗是22.5欧姆。400mV就是由17.78mA*22.5Ohm得来。以后高速操作的信号幅值就是400mV而不像全速/低速那样的3V。

至此，高速设备与USB2.0 hub握手完毕，进行后续的480Mbps高速信号通信。

2.4 信号电平

在分析USB2.0设备的检测过程之前，需要先了解一下低速、全速、高速设备信号电平及电气参数。

低速、全速设备使用电压信号，总线状态对应的电平范围如下表所示。
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2.5 低速设备/全速设备的识别

低速设备/全速设备的识别发生在上电过程中，即Attached–>Powered转换的过程，在usb设备进入Powered状态后就已经确定好速率，速率的确定依赖于Rpu上拉电阻。

在下游设备未插入的情况下，总线受Rpd下拉电阻的影响均处于被拉低的状态，将总线此时的状态称为Single-ended 0 (SE0)，当设备插入后Rpu被供电，此时若Rpd上拉电阻连接D+,D+将被拉高，此时总线上的状态被称为Differential “1”；此时若Rpd上拉电阻连接D-,D-将被拉高，此时总线上的状态被称为Differential “0”。

低速设备的IDLE信号，J信号，都是使用Differential “0”来表示的，全速设备的IDLE信号，J信号，都是使用Differential “1”来表示的,将总线idle信号（J信号）维持超过2ms的状态称为connect信号，下游设备产生connect信号之后便进入Powered状态，此时设备支持的速率已经确定；即D+被拉高的时间超过2ms,便认为设备进入Powered模式且处于全速模式，若D-被拉高的时间超过2ms,便认为设备进入Powered模式且处于低速模式。

简单来说，即usb下游设备在插入usb上游设备后，上拉电阻Rpu将D+/D-持续拉高超过2ms(协议中将这一行为称为connect信号)，设备便进入Powered状态（进入Powered状态，设备便已经被识别为低速设备/全速设备），下图是上述描述的简化图：
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2.6 低速设备/全速设备的断开

针对上游设备的信号，上游设备检测到SE0信号维持超过2.5us的信号称为disconnect信号，上游低速/全速设备检测到disconnect信号便认为设备已经断开，下游设备故障或被拔出后，在失去了上拉电阻Rpu后，D+/D-会全部变为低（SE0信号），SE0信号维持超过2.5us,上游设备便认为下游低速/全速设备已经断开。

2.7 高速设备的识别

高速设备的识别发生在Powered–>Default的过程，Powered–>Default的转化首先由上游设备发送一个reset信号(SE0信号维持超过10ms)，之后的行为分为两种情况：

    下游设备此时被识别为低速设备，在接受到上游设备发送的reset信号后直接进入Default状态，等待下一阶段的地址设置，此时不会去识别设备是否支持高速模式。
    设备此时被识别为全速设备，此时由上游设备发送reset信号，之后双方协商是否支持高速模式，待速率协商完成后进入Default状态，等待进行地址设置，Default状态速率已经识别完成，但还没有进行地址分配，此时使用0地址进行下一步通信。只有进入到Default状态后设备才有了使用packet通信的能力。

注：下游设备处于Default状态之后的状态，上游设备也可通过发送reset信号重新使设备进入Default状态，然后按照usb状态切换图重新驱动设备。

下面描述高速设备的识别过程：

注：前提是usb已经被识别为全速设备且处于Powered状态。

    上游设备在下游设备进入Powered状态后便会主动发送reset信号，(SE0信号维持超过10ms)。
    事实上在此时发送reset信号及之后进入高速模式的通信中，Rpu电阻便会一直处于断开状态，高速模式已经不需要Rpu电阻了，而是依赖另外一种电阻**Rs(45Ω)，Rs(45Ω)在主从设备上都存在，D+ D-各一个，在之后的高速模式通信 高速模式断开检测 Rpu电阻都处于断开状态，电气层信号依赖Rs(45Ω),**但在高速模式的识别过程中，Rpu上拉电阻还是处于工作状态的。
    下游设备在检测到上游设备发送的reset信号后，若下游设备支持高速模式则发出Chirp K 信号，上游设备在接受到Chirp K信号后，上游设备便知道下游设备支持高速模式，若上游设备也支持高速模式，就发出连续的Chirp K Chirp J信号，用来通知下游设备Hub也能支持高速模式。之后上游设备继续维持SE0信号直到10ms，断开Rpu电阻，便进入Default状态（高速模式），若速率协商阶段上下游设备中有任何一方不支持高速模式，便终止速率协商进入Default状态（全速模式）

2.8 高速设备的断开

高速设备断开，即Rs(45Ω)电阻也会断开，此时电气层信号会发生变化，高速设备基于此判断设备的断开。

三，检测过程

Hub识别设备的过程，同时也是检测设备速度的过程，具体流程如下：

3.1 由于低速设备D-接有1.5K上拉电阻，当设备接入Hub时，Hub的D-会被拉高，此时Hub会检测到有低速设备接入，而全速和高速设备D+接有1.5K上拉电阻，当USB设备接入USB Hub时，Hub的D+会被拉高，此时Hub会检测到有全速或高速设备接入。D-或D+拉高最少为2V。

3.2 当D-或D+被拉高后，主机识别到有设备接入，会将D+和D-拉到低于0.3V，使总线处于SE0状态，并持续2.5us以上，将设备复位。此时Hub已经能区分低速和全速/高速设备。

3.3 若是高速设备，则会向D-灌入电流，在总线上形成Chirp K状态，至少持续1毫秒，但不超过7毫秒。Hub检测到Chirp K信号持续的时间至少为2.5微秒。若Hub没检测到Chirp K信号或Hub只支持低速或全速，则会一直保持SE0状态，直到复位完成。

3.4 若Hub支持高速，则在总线退出Chirp K状态的100微秒内，Hub开始发送交替的Chirp K和Chirp J序列（K-J-K-J-K-J），Chirp K和Chirp J状态必须连续，无空闲状态。Chirp K和Chirp J序列持续时间范围为100微秒-500微秒。每个Chirp K和Chirp J持续的时间不小于40微秒，不超过60微秒（Hub发送交替的Chirp K和Chirp J序列的目的是使总线保持活跃状态，避免设备进入Suspend状态）。

3.5 如果设备检测到了Hub发送的Chirp K和Chirp J序列，设备将在500微秒内断开D+的上拉电阻，使能高速功能并进入高速默认状态。如果设备在1毫秒-2.5毫秒内没检测到Hub发送的Chirp K和Chirp J序列，设备将进入全速状态并等待复位完成。

上述流程对应于Linux里面的操作如下：
3.6. 当Hub某个port（设备接入的port）的D+或D-被拉高时，port检测到设备接入，会设置USB_PORT_STAT_C_CONNECTION状态，然后触发xHCI中断，最后系统会调用Hub的中断函数轮询Hub的port状态，找到有设备接入的port。

3.7. 主机向有设备接入的port发送USB_PORT_FEAT_RESET命令，此时port会拉低对应的总线，使其进入SE0状态，发起复位流程。

3.8. 此使Hub会和设备进行一系列的信号交互，此过程由硬件完成，无需软件参与。当复位完成后，主机使用HUB_PORT_STATUS命令获取设备连接状态、速度等信息，然后读取设备的描述符走枚举流程。