USB 接口

首先看一看 USB 的接口,当你看到这些接口时,你应该知道,哦,那是 USB 接口

 

不然学完了 USB,USB 接口都不认识那就很尴尬了。

 


看到这些接口是不是很熟悉?

常用的接口有 Type A 接口,这个接口一般直接插在电脑上的,Type B 接口比较少见,目前比较常见的是 Mini-B、Micro-B 接口,前者在 MP3 之类的设备中比较常见,当然在我们工程师中的调试器中也经常使用,后者多用于手机等设备,不过目前大部分手机接口用 Type-C 接口代替了:

 

(图片来源于网络)

 

这种接口可以正反插,并且能提供比其它接口更大的电流,速度更快,所以今天可以看到越来越多的设备开始支持 Type-C 了。

 

我们可以看看这些接口内部的引脚分布情况(不包含 Type-C 接口,这个接口引脚很多):

 

 

第四引脚在某些接口中可能没有,其他引脚都是存在的。

 

Vbus 和 GND 两个硬件用于供电,提供恒定的 4.4 ~5.25 V 电源(当 USB 为设备提供 5.25 V 电源时,数据线工作在 3.3 V),当设备使用总线供电时,将由这两根引脚提供所需电源,当然总线提供的电流比较有限,所以如果说总线不足以提供足够的电源,那么就需要使用外部供电。

 

D-、D+两个引脚用于数据传输,类似串口的 Tx、Rx 数据线,不同的是,USB 采用差分方式传输,使用双绞线,并且在线上传输的数据编码远比串口的复杂,这个将在下节介绍。

 

 

这里需要注意一下线的颜色,一般的厂家生产 USB 数据线时会按照标准来生产,但是有些厂家却不一定,红色不一定是电源,黑色不一定就是地,使用的时候需要注意确认。

 

标准的 USB 数据线外部一般会有屏蔽线包裹,防止外部干扰,但是有些厂家偷工减料,可能并没有屏蔽线,甚至连 D-、D+数据线都没有,只提供电源线。

 

(图片来源于网络,外层白色包裹为屏蔽线)

 

因为采用差分传输,并且只有两个引脚,所以总线为半双工传输,即同一时刻只能发送或接收。同时 USB 采用一主多从模式,即 USB 网络中只有一个主机,其他都是从机,也就是设备。

 

USB 历史版本

USB 经过多年的发展,经历了多个版本,初始版本 1.0,于 1996 年完成,支持低速(LS)模式(1.5Mb/s)和全速(FS)模式(12Mb/s)。

 

USB1.1 规范于 1998 年面世,改进了 1.0,但速度上没有改变。

 

USB2.0 在 2000 年问世,增加了新的速度模式,即高速(HS)模式,最高支持 480 Mb/s。

 

USB3.0 在 2008 年发布,传输速率 5Gb/s。

 

这些版本保持向后兼容的特性,即 USB3.0 的主机接口可以接入 USB 1.0、2.0 的设备,但是受到设备本身的速度影响,所以最终的速度由低版本速度决定。

 

 

通过数据(D+或 D-)线上的上拉电阻的位置,主机可以识别低速设备和全速设备,而高速设备会在之后移除上拉电阻。

 

在 STM32F103 中,支持 USB 2.0 接口 ,但是只支持全速模式下的 2.0,即最大速度只有 12 Mb/s,换算到字节的话,只有 1.5 MB/s,除去 USB 本身的协议开销的话(类似串口中的起始位、结束位开销,但 USB 比这个复杂的多),最大有效数据带宽差不多在 1.2 MB/s(我们接下来要学习的就是全速模式)。

 

所以不要认为 USB2.0 的接口一定支持高速模式。

 

在 STM32F4 中,USB 开始支持高速模式,并且支持 OTG,这个模式使得 USB 设备既可以当做主机也可以当设备使用。

 

现在的手机一般都支持 OTG,即通过一根转接线,即可将 U 盘之类的设备插入手机中使用,所以当你的手机触摸屏坏了,别着急,插上无线鼠

 

标键盘套餐,照样玩手机。

 

当然这只是应急使用,真正来说,没谁会随身带着鼠标键盘的。

 

HUB 与 USB 拓扑结构

除了常见的设备外,在 USB 网络中,还有一种特殊的设备,即 HUB(集线器),这种设备只有一个作用,就是将一个 USB 接口分成多个 USB 接口(最多 7 个)使用,这样即使你的电脑只有一个 USB 接口,通过 HUB,你也可以实现多个设备的连接。

 

HUB 对于用户而言是透明的(即用户在使用时不用特别去操作它),而为了实现这种透明,HUB 所做的工作要比上述复杂的多,具体可以找相关资料,鱼鹰有时间也会研究一下这种特殊的设备。

 

 


上图是 USB 连接图,可以看到,通过 HUB,一个 USB 网络中可以连接非常多的设备(最多 127 个,由 USB 设备 7 位地址决定),并且由于集线器的时间和电缆传播的延迟,最多只能连接五个 HUB,在层次上表现为上图的 7 层(在全速和高速设备中,最大线缆长度为 5 m,低速设备限制为 3 m)。

 

USB 网络中的所有设备(包括 HUB)都有一个地址,范围 0~127,地址 0 是所有设备在接入 USB 网络时使用的默认地址,当设备完成枚举后,即可拥有新的 USB 设备地址,之后所有的通信都将采用新地址通信。也就是说, USB 设备的地址是动态的,类似网络的 IP 地址。

 

USB 层次结构

下面再来看看 USB 层次结构:

 


在开发时,由于我们主要是软件开发,所以主要的关注对象是上面两层,而底层的实现一般来说都是由硬件自动完成的,比如 STM32 就帮我们实现了这一层,我们只需要获取底层的数据然后进行相应的处理即可。

 

但是为了更好、更全面的理解 USB,这一层的内容鱼鹰也会在下一节进行介绍。