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USB技術(shù)淺析

2023-08-02 14:42 作者:補(bǔ)給站Linux內(nèi)核 0人讀過 | 我要投稿

一、USB3.0

USB是史上定義出的最成功的PC外圍互連技術(shù)，并且已經(jīng)迅猛地被引入到CE和Mobile領(lǐng)域。僅僅在2006年，就有超過20億USB設(shè)備出產(chǎn)，而現(xiàn)在已經(jīng)有超過60億的USB產(chǎn)品被安裝。

而隨著技術(shù)創(chuàng)新的不斷前進(jìn)，新式設(shè)備，媒體格式，以及便宜的大容量存儲在不斷涌現(xiàn)。他們都要求更高的帶寬來維護(hù)用戶期望的用戶體驗(yàn)。高清攝像機(jī)將會具有上百GB的存儲內(nèi)容需要遷移到PC端供用戶編輯，查看以及打包存儲?，F(xiàn)有的設(shè)備，如數(shù)碼相機(jī)繼續(xù)創(chuàng)新并增加其容量來容納更多的非壓縮圖像。從數(shù)碼相機(jī)里下載上百甚至上千個10MB或者更大的原始圖片將會是一個十分耗時的過程，除非傳輸速率得到提高。此外，用戶應(yīng)用要求在PC和這些不斷復(fù)雜化的外設(shè)之間更高的連接帶寬。USB 3.0通過增加更高的傳輸速率來匹配這些新式應(yīng)用和設(shè)備，從而解決這些需求。

目前市場上有大量在使用的個人電腦只支持USB 2.0。還有USB 2.0外圍設(shè)備使用數(shù)量較多。USB3.0需要保持向后兼容性。從硬件上來看，實(shí)際usb3.0和usb2.0已經(jīng)是兩種設(shè)備，在A型座的usb口上，我們能明顯看到，usb2.0仍舊使用的是GND，D+，D-，VBUS。在3.0中則使用的是一對USB3_TX差分線，USB3_RX差分線，GND，BUS。所以在物理上我們要明確，實(shí)際上USB2.0和USB3.0已經(jīng)不是一個設(shè)備。雖然USB3.0仍然延續(xù)了大部分2.0的概念。

1.Usb3.0的通訊流程

Usb3.0在框架層級是向后兼容USB 2.0的。在傳輸?shù)念愋蜕?，仍舊是控制傳輸，中斷傳輸，批量傳輸，同步傳輸四種。然而，USB 2.0和超高速協(xié)議還是有一些根本性的差異：

1）USB 2.0使用三部分事務(wù)交易（令牌，數(shù)據(jù)和握手），而超高速對這相同的三部分的使用是不相同的。對于輸出（OUTs），令牌被列入數(shù)據(jù)包；而對于輸入（INs），令牌則被握手所取代。

2）USB 2.0不支持突發(fā)（bursting）而超高速支持連續(xù)突發(fā)（continuous bursting）。

3）USB 2.0是一個半雙工廣播（broadcast）總線，而超高速是雙重單工（dual-simplex）單播（unicast）總線，這就允許同時進(jìn)行IN和OUT事務(wù)交易。

4）USB 2.0使用輪詢模型，而超高速使用異步通知。

5）USB 2.0沒有流（Streaming）的能力，而超高速支持對批量端點(diǎn)的流（Streaming）。

我們來看一次IN傳輸：

主機(jī)和設(shè)備應(yīng)遵守傳輸類型和端點(diǎn)特性的限制。主機(jī)通過發(fā)送一個確認(rèn)包（IN）到設(shè)備發(fā)起一次傳輸。這個確認(rèn)包包含了將包路由到預(yù)想的端點(diǎn)的尋址信息。主機(jī)告訴設(shè)備它可以發(fā)送的數(shù)據(jù)包的數(shù)量，以及預(yù)計從設(shè)備接收到的第一個數(shù)據(jù)包的序列號。作為回應(yīng)，端點(diǎn)會以適當(dāng)?shù)男蛄刑柊l(fā)送數(shù)據(jù)包回主機(jī)。確認(rèn)包還暗含地確認(rèn)，以前的數(shù)據(jù)包被成功收到。

請注意，即使主機(jī)需要為每個接收到的數(shù)據(jù)包發(fā)送確認(rèn)包，設(shè)備仍然可以發(fā)送被請求數(shù)量的數(shù)據(jù)包，而不必等待任何確認(rèn)包。

超高速輸入（IN）事務(wù)交易協(xié)議中如下圖所示。一個超高速總線上的輸入（IN）傳輸由一個或多個IN事務(wù)交易組成，并在出現(xiàn)下列任何情況之一時完成：

1）所有的傳輸數(shù)據(jù)成功被接收。

2）端點(diǎn)用比端點(diǎn)的最大數(shù)據(jù)包大小要小的數(shù)據(jù)包響應(yīng)。

3）端點(diǎn)回應(yīng)一個錯誤。

Out 傳輸也類似：

從上面的模型我們可以看出，相比于usb2.0的輪詢式的發(fā)包，一方面usb3.0的異步發(fā)包模式明顯效率提高很多，可以不必等待設(shè)備回應(yīng)，連續(xù)發(fā)包。另一方面由于usb3.0是點(diǎn)對點(diǎn)的發(fā)送數(shù)據(jù)，所以處在空閑的其他usb設(shè)備可以一直保持低功耗狀態(tài)，直到有數(shù)據(jù)到來。而在usb2.0的輪詢模式上，由于每一個設(shè)備都需要對總線上的地址做判斷，所以空閑設(shè)備無法進(jìn)入低功耗模式。

2.突發(fā)事務(wù)

超高速USB協(xié)議允許主機(jī)連續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)到設(shè)備，或者從設(shè)備連續(xù)接收數(shù)據(jù)，只要設(shè)備可以接收或者發(fā)送數(shù)據(jù)。設(shè)備在無需中間確認(rèn)包（intermediate acknowledgement packet）的情況下可以發(fā)送或者接收的包的個數(shù)，在該端點(diǎn)的端點(diǎn)伴侶描述符（endpoint companion descriptor）中報告。報告端點(diǎn)的maximum burst size多于一個包的端點(diǎn)被認(rèn)為是支持"突發(fā)"事務(wù)。

在進(jìn)行突發(fā)傳送時，適用于下面的規(guī)則：

1）在接收一個確認(rèn)包之前，一個突發(fā)中可以發(fā)送的包個數(shù)的最大值，被限制為：端點(diǎn)的最大突發(fā)的大小【maximum burst size】（和上一個被端點(diǎn)或主機(jī)接收到的ACK TP或ERDY的NumP字段值的最小值，減去端點(diǎn)或主機(jī)在被上一個ACK TP確認(rèn)過的包之后已經(jīng)發(fā)送的包的個數(shù)。注意，每當(dāng)端點(diǎn)被初始化時，主機(jī)可以重新將能夠發(fā)送/接收的最大DPs的個數(shù)初始化為端點(diǎn)最大突發(fā)的大小【maximum burst size】。

2）突發(fā)傳送中，每一個獨(dú)立的包應(yīng)該有數(shù)據(jù)包負(fù)載長度為maximum packet size。只有突發(fā)的最后一個包可以小于報告的maximum packet size。如果最后一個小一些，那么對于短包的規(guī)則適用于在突發(fā)末尾的短包。

3）突發(fā)事務(wù)只要ACK TP的NumP字段沒被設(shè)為0并且每個包都有最大包大小的數(shù)據(jù)負(fù)載，就可以繼續(xù)。

3.流傳輸

流傳輸是bulk中的一種特殊模式，當(dāng)設(shè)備的配置描述符在配置了 MaxStreams后，就代表設(shè)備可支持流傳輸。

上圖代表一個輸入批量管道，這里建立起了大量的流（Streams）。在主機(jī)內(nèi)存中與每個流（Stream）相關(guān)的是一個或者多個端點(diǎn)緩沖區(qū)（Endpoint Buffers）來接收流數(shù)據(jù)（Stream data）。在設(shè)備端，也有一個相應(yīng)的特定于命令或者功能的數(shù)據(jù)，會被傳輸?shù)街鳈C(jī)。

當(dāng)設(shè)備有對特定的流可用的數(shù)據(jù)時（如圖中的G），它就用發(fā)送ERDY加上CStream ID作為標(biāo)簽，并且主機(jī)會開始發(fā)送加有CStream ID標(biāo)簽的IN ACK TP到設(shè)備。設(shè)備會通過返回與CStream ID相關(guān)的功能數(shù)據(jù)，并且也是加上CStream ID為標(biāo)簽。當(dāng)主機(jī)接收到數(shù)據(jù)，就用CStream ID來選擇一組端點(diǎn)緩沖區(qū)（Endpoint Buffers）用來接收數(shù)據(jù)。

當(dāng)數(shù)據(jù)被耗盡，設(shè)備終結(jié)該流。主機(jī)也被允許終結(jié)流，如果它用完了端點(diǎn)緩沖區(qū)的話。流可以被用來，例如，支持大容量設(shè)備（mass storage device）所需要的亂序（out-of-order）數(shù)據(jù)傳輸。

一個標(biāo)準(zhǔn)的批量端點(diǎn)有單組端點(diǎn)緩沖區(qū)（Endpoint Buffers）與之相關(guān)聯(lián)。流擴(kuò)展了一個端點(diǎn)可以訪問的主機(jī)緩沖區(qū)個數(shù)，從1直到65533。在主機(jī)緩沖區(qū)和Stream ID之間有一個1:1的映射。

由于流是基于一個標(biāo)準(zhǔn)的批量管道運(yùn)行，一個錯誤就會讓管道暫停（halt），停止所有的活動。

4.伴侶描述符

USB3.0描述符與USB2.0基本相同，最主要的區(qū)別是每個EP描述符后新增了一個伴侶描述符，用以表明上面所說的設(shè)備的“突發(fā)事務(wù)”和“流傳輸”的能力：

5.總結(jié)

總結(jié)來說USB3.0的最主要的新特性有這幾種：

總線速度提高到5Gbps（gen2中提高到10Gbps）
異步的傳輸模式
突發(fā)事務(wù)，依賴于異步傳輸?shù)哪Ｊ?，無需等待設(shè)備回應(yīng)
流傳輸，依賴于突然事務(wù)傳輸，可以多對一的大量傳輸

這幾種新特性使得USB3.0的傳輸速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于USB2.0

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二、TYPEC

Typec是在usb3.0推出后，為了兼容正反插，高功率充電，以及更強(qiáng)的兼容性而推出的新的硬件接口，最主要的特性為

USB Power Delivery技術(shù)，最高可支持到20V5A的充電
可集成DisplayPort，可外接屏幕與喇叭（例如可以接入hdmi設(shè)備）
抗干擾性，可靠性更強(qiáng)

母頭如下圖所示：

公頭如下圖所示：

可以看到相比于普通的usb3.0 A座，typec多出了一組tx，rx，以及vconn和cc。其中具體使用情況：

1）多出的tx，rx可以在gen1或gen2中做usb多路輸出，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)吞吐量翻倍，同時也可以復(fù)用為DisplayPort接口，使得typec可以做視頻輸出

2）vconn為typec有源線纜的e-mark供電，進(jìn)一步可以識別線材的供電能力

3）cc pin為typec的核心功能，usb的主機(jī)和設(shè)備端可以通過cc pin通訊，以實(shí)現(xiàn)pd，dp以及主從模式的切換等各種功能

目前市面上有多種typec的實(shí)現(xiàn)方案，如高通是通過自帶的typec phy實(shí)現(xiàn)，也有獨(dú)立的typec芯片方案，如fusb302等，但是流程基本類似。

編碼格式：

pd3.0開始使用Biphase Mark Coding (BMC)編碼格式，這種編碼的特點(diǎn)就是，每一個bit周期開始時電平會切換一次，在這個周期內(nèi)電平如果不切換則表示bit0，如果電平切換了一次，則代表bit1

1.Power Delivery

目前市場上pd主要分為兩種，一種是pd2.0，這種只提供幾個固定的電壓電流檔位，如常見的5V3A，9V3A，12V3A，15V3A，20V3A。另一種是pd3.0，也就是pps，這種除了提供pd2.0的幾個電壓檔位之外，還會提供一個或多個電壓電流可調(diào)的檔位，如：可調(diào)電壓范圍3V~21V，可調(diào)電流0A~6.3A

其流程大概如下：

以下作為一個例子：

2.DisplayPort

如前文中所述，typec擁有4對差分信號，上/下行各2對。USB-IF推出了一個Alternate Mode交替模式，支持將USB Type-C線纜轉(zhuǎn)化為其他用途，而DP交替模式就是第一個應(yīng)用，它可以將其中一些或者全部差分信號通道轉(zhuǎn)化為DisplayPort信號通道，如果還有剩余的差分信號，則可以繼續(xù)用于USB 3.1高速數(shù)據(jù)傳輸。

有了DP交替模式，USB Type-C的實(shí)力將會大增，因?yàn)樗屍桨咫娔X、筆記本產(chǎn)品通過一個迷你接口實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸、視頻輸出、電力供應(yīng)等功能，帶來類似手機(jī)那樣的“單接口、多功能”的可能性，這比之前通過USB接口輸出視頻信號的方案更加強(qiáng)大。

以下作為一個例子：

三、USB3.0 OTG

在usb2.0時代，為了滿足移動設(shè)備單usb口既可以為主也可以為從的需求，出現(xiàn)了otg功能。Usb2.0的otg是通過micro或miniusb座子上的第5個id pin上的電平來完成識別，當(dāng)id pin的電平為高，則為從機(jī)，當(dāng)該電平為低時，則為主機(jī)。

我們市面上買的otg線，內(nèi)部電路就是把id pin與GND線相接，以實(shí)現(xiàn)otg線插入后，手機(jī)可以作為host端

在usb3.0中，id pin的功能同樣被強(qiáng)大的typec所取代，主從的識別將通過cc來識別。同時主從雙方也可以通過cc的通訊來切換角色。

在usb2.0中，供電方與受電方和設(shè)備的主從關(guān)系是綁定的，只有host可以給devices供電。usb3.0中則完全不同，兩者完全獨(dú)立，在做host的同時，依舊可以接受供電。解決了“手機(jī)沒電時，就無法插usb設(shè)備”的問題

同時在硬件上，我們需要明確usb 3.0 otg的組成部分

usb控制器

控制器負(fù)責(zé)將處理通訊中，數(shù)據(jù)的校驗(yàn)，分發(fā)，異常處理等主要工作。在usb2.0中我們有諸如“ehci，uhci，ohci，dwc2”等多個不同的控制器ip。其中ehci是同時兼容usb1.0，usb1.1，usb2.0等功能，而uhci，ohci則只能支持到1.1 。dwc2則是擁有otg功能的控制器

在usb3.0中，控制器則只剩了xhci，與dwc3，同樣的dwc3也是擁有otg功能。

usb phy

Usb phy主要負(fù)責(zé)實(shí)際的物理信號。將串行的usb數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成控制器所需要的數(shù)據(jù)格式。同時，我們usb信號質(zhì)量也與phy有關(guān)，在一定程度上phy可以改善usb眼圖，但主要還是靠usb走線

typec phy

與usb phy功能類似，只不過處理的是cc pin上的信號。cc信號也可以用獨(dú)立的芯片，如fusb302等芯片來處理。

1.EXTCON

External Connectors是usb用于狀態(tài)通知的驅(qū)動，當(dāng)phy收到中斷，處理完usb狀態(tài)后，通過extcon驅(qū)動，廣播到已監(jiān)聽該extcon的所有驅(qū)動

使用devm_extcon_register_notifier來注冊監(jiān)聽usb狀態(tài)變化

使用devm_extcon_dev_register來注冊管理usb的狀態(tài)變化

以下host的識別作為一個例子：

2.USB3.0 HOST

Usb3.0相比于usb2.0，在usb core層，驅(qū)動并沒有太大變化，仍舊與原來的流程相同，usb代碼的核心數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)仍然是URB，URB的使用方法也與原來相同：

區(qū)別在于usb hcd之后的代碼，xhci中，核心的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為TRB，每一筆數(shù)據(jù)以一個trb來做交換，在xhci.c中xhci_urb_enqueue進(jìn)一步判斷數(shù)據(jù)類型，并對stream id以及burst做判斷，并提交到控制器中

3. USB3.0 OTG

(1) ConfigFS

在《帶你遨游USB世界》中，我們介紹了android.c的gadget配置方式，在早期時，linux的gadget驅(qū)動都是固定功能，即開機(jī)后usb功能就已固定，無法改變。而這樣的功能，明顯無法滿足移動設(shè)備對于otg功能的需求，因此android推出了android.c和composite.c的復(fù)合功能的gadget驅(qū)動。

再此之后，android.c的方式沿用了很久，直到linux更新了新的gadget驅(qū)動----configfs子系統(tǒng)，滿足了移動端的所有需求。相比于android.c，configfs更加靈活，因此替代了android.c。

在新的linux代碼中，configfs基本替代了android.c，因此我們對configfs做一定的介紹

啟動流程：