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USB中文协议--07 USB电气特性(缩写).doc

USB中文协议--07 USB电气特性(缩写).doc

上传者: 胡哥008 2012-08-12 评分 5 0 116 16 526 暂无简介 简介 举报

简介:本文档为《USB中文协议--07 USB电气特性(缩写)doc》,可适用于工程科技领域,主题内容包含USB技术​​USB的电气特性(之六)南京大学计算机系周玉军USB(UniversalSerialBus即通用串行总线)的电气特性主要是对信号的发送符等。

USB技术​​USB的电气特性(之六)南京大学计算机系周玉军USB(UniversalSerialBus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情况的描述。下面我们将分别对其进行详细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控制数据信号在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VbusGND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。它有两种工作状态即低态和高态。在低态时驱动器的静态输出端的工作电压Vol变动范围为~0.V且接有一个kΩ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。在任何驱动状态下USB设备必须能接收如图所示的波形。这些波形从一个输出阻抗为PΩ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Ω最大单路时延为ns的屏蔽双绞线电缆进行的其到达的最大速率为Mbs并且每个驱动器的阻抗必须在Ω~Ω之间。图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设备在插口端必须要有一个带有串行A口连接器的可控制电缆其速率为Mbs。当电缆与设备相连时在DD线上必须要有一个~PF的单终端电容器。低速电缆的传播时延必须小于ns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。图列出了低速驱器的信号波形。图和图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:图高速设备中的Rpu电阻是接在D线上的。图低速设备中的Rpu电阻是接在D线上的。下形端口处的Rpu电阻是与地相连的其电阻为KΩ。这个Rpu电阻的选取要满足一定的条件为了在一个复位操作结束后方便地确定可被执行的总线状态那么选取Rpu时要能使DD线上的电压在us的最大复位松驰时间内可在~Vih内自由变动。为了满足这一条件带有可分电缆的设备必须使用加载电压在~U间阻抗为KΩ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。注意:终端电阻不包括主机HUB上的KΩ的电阻。所有集线器和高速的功能设备上形端口(朝主机方向的)必须使用高速的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。低速数据的传输不改变驱动器的特性低速设备的上形端口必须使用低速驱动器。所有集线器(包括主机的)外部下形端口必须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行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~V的差分模式范围时如图所示接收器必须具有至少mv的输入灵敏度。除了差分接收器外还必须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延续到ns对于低速传送可延续到IVns之久。接收器的逻辑设备用于保证这种情况不会被当作SE态来处理。(三)输入特性没有终端的D或D的输入阻抗必须大于KΩ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(差分的或单终端的)为pF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pF。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pF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须与终端所使用的一致该终端必须能在us内控制D或D线上的电压在~Vih范围内变动。DD上的电容包括设备单终端输入电容和主机HUB的pF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的信号发送情况。首先介绍信号的发送标准。(一)信号的发送标准表总的概括了USB信号的发送标准。(表)在该表中J和K这两个数据态是两个逻辑电平在系统中通常被用来进行交换差分数据。差分数据信号的发送并不关心信号经过处的电平情况它只要求桥电压在~之间。另外在接收端空闲态和工作态在逻辑上分别与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决定。如果连结的是高速设备则USB使用所规定的高速率来发送信号并且有很快的上升沿和下降沿时间甚至还可用低速率来发送数据而对于表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送USB设备是一个智能型的设备当它发现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控制的这将在下形端口产生一个SE态。如果主机或集线器不在控制数据线并且下形端口的SEO态的持续时间超过ns则此时USB设备将中断信号的发送。如果集线器发现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us则便开始信号的发送。在介绍了有关信号发送的相关情况后我们将分别对各种信号的发送进行讨论。(一)数据信号的发送通过差分信号来实现数据包的传送。通过控制D和D线从空闲态到相反的逻辑电平(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。当它的重新发送时间低于ns时集线器必须对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使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。SE态通常用来表示包的发送结束(EOP)可以通过控制D和D两位时到达SEO态然后控制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结束。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控制总线处于空闲态。图列出了包开始和结束的信号发送波形。(二)复位信号的发送复位就是将一个信号从挂起态唤醒。集线器信号通过控制端口上的持久的SE态来实现对下形端口的复位。复位信号清除后设备都将处于缺省状态。表信号电平总线状态信号电平开始端的源连接器(一位时端)终端的目标连接器需要条件接受条件差分的“”D>Voh(min)D<Vol(max)(D)(D)>mv(D)>Vih(min)(D)(D)>mv差分的“”D>Voh(min)D<Vol(max)(D)(D)>mvD>Vih(min)(D)(D)>mv单终端“”(SE)D和D<Vol(max)D和D<Vil(max)D和D<Vih(min)数据J态:高速低速差分的“”差分的“”差分的“”差分的“”数据K态:高速低速差分的“”差分的“”差分的“”差分的“空闲状态:高速低速NAD>Vihz(min)D>Vil(max)D>Vihz(min)D<Vil(max)D>Vihz(min)D<Vih(min)D>Vihz(min)D<Vih(min)唤醒状态数据K状态数据K状态包开始(SOP)数据线从空闲态转到K态包结束(EOP)SE近似地为位时其后仅接着位时的JSE位时其后仅接着一位时的J态SE位时其后仅接着J态段开连接(在下行端口处)NASE持续时间大于等于微秒连接(在上行端口处)NA空闲态持续时间大于等于毫秒空闲态持续时间大于等于微秒复位D和D小于Vol(max)的持续时间大于等于毫秒D和D小于Vil(max)的持续时间大于等于毫秒D和D小于Vil(max)的持续时间大于等于微秒注释:以位时定义的EOP宽度与传送的速度有关。(标准的EOP宽度都在表和表中列出)注释: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: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态必须要有低速的位时宽,来自高速的,则必须要有高速的位时宽注释:始终处于活动态的是低速的EOP根据USB系统软件的需求复位信号可在任一个集线器或主机的控制端口产生该复位信号的最小持续时间为ms。复位后集线器端口将处于能动状态。USB系统软件和主机控制器必须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行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ms但并不要求它一直是延续的。然而如果复位信号不是连续的则各间断的复位信号间的时间间隔应小于ms。一个设备如果见其上形端口的SE态持续时间超过us则它就把该信号作为复位信号处理。在复位信号发送结束前它必须已产生作用。当端口处于使能状态后集线器将传播一个活动信号到新的复位端口。连在该端口的设备必须能识别总线的活动性并要能防止被挂起。在复位信号清除后的ms的复位恢复时间后集线器必须能接收所有集线器请求设备也必须能接收一个SetAddress()请求。如果接收这些请求失败则设备将不能被USB系统软件所识别。(三)挂起所有的设备都必须能支持挂起状态并可从任一电平状态进入挂起态。当设备发现它们的上形总线上的空闲态持续时间超ms时它们便进入挂起态。当设备的所有端口上的总线不活动时间不超过ms后设备必须被真正的挂起此时它仅从总线上获得挂起电流。如果任一其它总线交通缺乏时SOF令牌将在每帧中出现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令牌出现的每一帧中至少有一个低速设备处于活动态以避免它们不被挂起。当处在挂起状态时设备必须继续为它的D(高速)或D(低速)上的Rpu电阻提供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所有总线都处在挂起状态。主机通过中止它所有的传送(包括SOF令牌)来发送开始全局挂起信号。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SetPortFeature(PORTSUSPEND)来使与其相连的总线部分被挂起此时处于那部分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。特别地如果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十分重要的作用。设备唤醒时总有一个先后次序我们将在后面详细介绍。USB系统软件必须提供ms的唤醒恢复时间在这段时间内它将不对与被唤醒的部分总线相连的任一设备进行操作。端口的中断与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事件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情况下面将对数据信号的发送做一个详细的讨论。(一)数据的编码与解码在包传送时USB使用一种NRII(NoneReturnZeroInvert即无回零反向码)编码方案。在该编码方案中“”表示电平不变“”表示电平改变。图列出了一个数据流及其它的NRII编码在该图的第二个波形图中一开始的高电平表示数据线上的J态后面就是NRII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设备就要进行位插入操作。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‘’后插入一个‘’从而强迫NRII码发生变化如图所示。位插入操作从同步格式(如图所示)开始贯穿于整个传送过程在同步格式端的数据‘’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。如果严格遵守位插入规则甚至在EOP信号结束前也要插入一位‘’位。接收端必须能对NRZI数据进行解码识别插入位并去掉它们。如果接收端发现包中任一处有七个连续的“”则将会产生一个位插入错误该数据包将被忽略。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前的最后一个数据位可能被集线器的转换偏移而拉长这种情况如图所示。(二)数据信号的发送速率高速数据发送率通常为Mbs主机集线器和高速设备的数据率误差为(ppm)。集线器控制器的数据率应该准确地知道其误差最好控制在(ppm)内。低速数据发送率为Mbs低速功能设备所允许的误差为(ppm)。以上所述的误差主要由下面的几种情况所引起:负载电容量的影响振荡器上电压供应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为具有一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相同并且它们在数据线的交叉点处进行测量如图。对于高速传送任何连续的差分数据变化的抖动时间为必须在ns内对于任何一个成对出现的差分数据变化(Jk到下一个Jk的变化或kJ到下一个kJ的变化)的抖动时间必须在ns内。对于低速传送任何连续的差分数据变化的抖动时间必须在ns内而任一成对出现搓分数据变化的抖动时间必须在ns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。(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须能正确地对差分数据进行解码。这种情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精确性产生影响。(五)电缆的延迟USB中传送信号的电缆所允许的时延为ns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ns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行高速信号发送的每根电缆而言信号对(DD)所允许的最大衰减量如下表所示。表信号时延频率( MHZ)衰减量(最大)dB每根电缆二、电压分布所有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控制的。在允许设备达到高电压之前软件必须保证有足够的电压可供使用。USB支持一定范围的电压来源和电压消耗供应者包括如下的部分。根端口集线器:它是直接与USB主机控制器相连的并与其相同的电源来源。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。由电池组提供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:它的所有内部功能设备和下形端口都从它的上形端口的Vbus上获得电压。在电压升高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。初始设置电压被分配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须为这个端口提供电流。该种集线器如图所示。自给电压集线器:如图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部分电压下降时它的USB接口可接一个单位负载并从Vbus处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口接五个单位负载。由电池组提供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该种设备上的所有电压均来自Vbus在任一时刻它们最多只能接一个单位负载。从总线获得电压的高电压设备:如图所示该种设备上的所需电压均来自Vbus。在电压升高时它们至多只能接一个单位负载但当初始设置后可接五个单位负载。自给电压功能设备如图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上获取所需电压以使USB接口处于活动状态。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情况下的电压分布情况。低电压设备或高电压设备工作低电压下时它们所允许的挂起电流限制为uA如果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达到mA当一个集线器处在挂起状态时它必须仍能为每个端口提供最大电流值。对于具有远程唤功能的设备当它的电压在升高而系统的其余部分仍处于挂起态时上面的要求是十分必要的。当设备被唤醒时(远程唤醒或由唤醒信号唤醒)它们此时必须能限制Vbus上的流入电压集线器Vbus所允许的最大电压落差为mV。设备必须有足够的分流电容器或要有一个可控制的电压打开顺序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。最后我们来谈谈设备的动态加载与卸载。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警告该端口已被中断。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须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改变。但回流电压会产生噪音通常利用分流电容器进行适当分流以减少噪音分流电容器对回流电压及其产生的噪声进行缓和。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须引用一些限流装置。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行联系。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动。EMBEDWordPicture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互相排斥因此当观察数据的输入端口时可能发现由电压生成器产生的信号波形可能会变形。图USB信号发送的最大输出波形图总线提供的高电压功能设备功能设备控制器上行Vbus可接个单位负载(max)调节器功能设备上行Vbus,可接单位负载(max)功能设备控制器功能设备调节器上行数据端口局部电压供给调节器图自给电压功能设备上行数据口功能设备上行Vbus只接一个单位负载(max)调节器图总线提供的低电压功能设备不可移动设备调节器电流限制下行Vbus电流限制图复合的自己电压集线器上行数据端口上行数据口图NRZI数据编码调节器下行数据口下行Vbus图总线提供电压的集线器下行数据端口一个单位负载调节器上行Vbus,可接单位负载(max)集线器控制器不可移动功能设备局部电压供给一个单位负载端口上行Vbus可接五个单位负载桥接点Tperiod的整数多元化上行数据端口成对的变化集线器控制器差分数据线接收端数据从传送器来的数据图对EOP前的特别位的说明抖动连续变化图数据抖动分类NRZI编码后的数据数据包同步块位插入数据原始数据数据编码序列图位插入图包电压电平位插入EOP端总线驱动到J态总线流动EOP的SE部分总线空闲包的最后一位总线空闲包的第一位低速USB设备慢速旋转缓冲器低速设备图差分输入感抗范围输入电压范围(Volts)图同步格式高速USB发送器图高速信号波形接收的特别位没有错图低速设备电缆和电阻连接传送的数据差分输入电压范围主机HUB口差分输出桥电压范围同步格式高低USB速发送器驱动器信号端口经过信号端的标准输出电平并具有最小的映象和阻尼接收器信号端口驱动器信号端口单电缆时延后经过信号端口的标准输入电平高低速USB发送器图高速设备电缆和电阻连接空闲图低速驱动器信号波形NRZI数据编码单路长电缆时延HUB上行端或高速设备主机HUB口doc

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