全速USB和高速USB的识别过程分析

1 前言

我们知道USB2.0向下兼容USB1.x，即高速2.0的hub能支持所有的速度类型的设备，而USB1.x的hub不能支持高速设备（High Speed Device）。因此，如果高速设备挂到USB1.x的hub上，那该设备只能工作在全速模式下。不管是hub还是设备（device），对于速度的区分是非常重要的，否则，后续的通信根本无法进行。

2 全速和低速USB的识别

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：

图1 全速USB设备的连接

图2 低速USB设备的连接

3 高速USB的识别

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：

图3 高速USB的协商过程

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：

1. 断开1.5k的上拉电阻。
2. 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。
3. 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。

最后附上几幅实际USB高速识别的示波器抓图，图中蓝色信号是D+,黄色信号是D-。

1. 数据线D+在T点之前挂上1.5K电阻，在T点被host拉成SE0状态。在近2ms后，设备发送第一个Chirp K，向host通知说：我是一个高速设备，如果可能，请用高速方式与我通信。其幅度是800mV（17.78mA * (45ohm ||1.5kohm) = 800mV，见上文解释）。在这里，Chirp K的持续时间是2.13ms（a，b两点之间）。

2. 这幅图显示了host发出的chirp KJ信号的幅度，头几个KJ是800mv（a，b之间），随后的是400mV。图中可以看到设备在收到第三个chirp J（蓝色短条）后马上把1.5k电阻取消，导致chirp J的幅值下降到400mV。(17.78mA * (45Ohm ||45Ohm) = 17.78mA * 22.5Ohm = 400mV)

图5 示波器截取的高速USB协商过程2

3. 测量了一个chirp J的宽度：43.5us。

图6 示波器截取的高速USB协商过程3

最后附上一张来自Don Anderson的USB System Architecture里的USB HS接口图：