浅谈USB协议（一）

USB（通用串行总线）协议是现代电子设备中最广泛使用的接口标准之一。为了满足了市场对高性能接口转换的需求，电科星拓推出XUSB系列PCIe转USB桥片。本文电科星拓将详细探讨USB协议的基本原理，旨在为读者提供深入了解和技术参考。

一、USB协议简介 

USB接口自1994年推出以来，经过USB1.0/1.1、USB2.0、USB3.x，最终发展到了现在的USB4.0。传输速率也从最开始的1.5Mbps，大幅提高到了最新的40Gbps。

01、超高速（SuperSpeed）的体系结构

这里着重谈一下USB协议的超高速（SuperSpeed）的体系结构，从协议的角度可以分为物理（Physical）层、数据链路（Data Link）层、协议（Protocol）层。如下图所示：

USB超高速物理层

该层定义了端口的PHY部分以及面向下游的端口（在主机或集线器上）和面向上游的设备端口之间的物理连接。GEN X物理连接由每个通道的两个差分数据对（一个用于发送和一个用于接收）组成。双通道支持（Gen X x2）用于通过USB Type-C电缆和连接器实现双通道操作。

超高速数据链路层

该层主要实现如下功能：

· 包分帧（Packet Framing）；

· 路命令定义和用法（Link command definition and usage）；

· 链路初始化和流程控制（Link initialization and flow control）；

· 链路电源管理（Link power management）；

· 链路错误规则和恢复（Link error rules/recovery）；

· 复位（Resets）；

· LTSSM规范（LTSSM specifications）。

USB超高速协议层

该层主要实现下面的功能：

· 数据包类型（Types of packets）；

· 数据包格式（Format of the packets）；

· 对由主机和设备发送的数据包的预期反应（Expected responses）；

· 4个超高速事务类型（SuperSpeed transaction types）；

· 支持对流批量传输类型（Streams for the bulk transfer type）；

· 主机或设备可能会收到或发送的各种响应和包的时序参数（Timing parameters）；

· 其中，USB数据链层的LTSSM主要负责超高速链路的初始化和训练。

二、USB SuperSpeed LTSSM 

Link Training，在正常通信前，以双方的握手及交互过程，来确定双方的速率及相关配置，以确保在现实复杂的物理链路中，接收方都能可靠且正确地接收到对端的信号。而整个Link Training的过程，是基于LTSSM（Link Training and status state machine）来完成的。熟悉PCIe的同学会发现，USB LTSSM和PCIe的LTSSSM链路状态非常相似。

链路训练的目的或需要完成的任务主要包括：

· 接收均衡recevier equalization；

· 时钟恢复clock recovery；

· 数据恢复data recovery；

· 并转换和字符锁定 serial to parallel conversion adn symbol lock；

· 极性翻转 differential polarity inversion；

· 弹性缓冲区初始化 elastic buffer initializatiion。

LTSSM主要有12个状态：

· 运行状态：U0-U3；

· 链路初始化及训练状态：Rx.Detect、Polling、Hot Reset和Recovery；

· 测试状态：Compliance Mode、Loopback；

· 其他状态：SS.Inactive、SS.Disable。

USB3.0的整个运行都离不开这12个状态，借助它USB的控制器和硬件可以完成链路训练、链路错误处理、链路功耗管理、以及链路测试等。

01、Rx.Detect.Reset 状态

RX.Detect.Reset是训练的第一个子状态，这状态只会存在于上游由软件触发Warm Reset的时候，此时上游(DFP)会向下游UFP发送Reset.LFPS，这是一个10MHz-50MHz的信息，并且会持续约80-100ms。

正常退出Rx.Detect.Reset进入下一子状态的条件，取决于进入Rx.Detect的方式：

· 如果是DFP触发的Warm Reset，则Reset.LFPS发完之后，自动进入Rx.Detect.Active；

· 如果是UFP检测到上游发过来的Reset信号，则当RX检测不到这个Reset信号后，也会自动进入Rx.Detect.Active；

· 如果不是Warm Reset触发的话，那么自动跳过Rx.Detect.Reset直接进入Rx.Detect.Active，比如说上电的时候。

02、Rx.Detect.Active 状态

这个状态其实就是用来检测对端是否存在，比如一个支持USB3.0的链路上接入了USB2.0的设备，那么在这一个阶段USB3.0检测不到对端的话，就会自动回退到USB2.0。由于USB3.0的口向下兼容USB2.0，而且设备默认会优先工作在3.0，所以要求USB3.0连续尝试8次检测不到对端之后，才会退化到USB2.0。

1. TX先建立一个稳定的共模电压VTX-CM-DC。

2. 这个共模电压往上步进抬升一定的电压。

3. TX的Detect电路此时开始检测线路上(Tx+和Tx-)的电压，看看要花多长时间线路的电压抬升到新的电压。

当对端无RX的时候，这个电压不需要给耦合电容充电，所以会抬升得特别快。

当对端有RX端接的时候，由于需要给线路上的耦合电容充电，所以需要花更多的时间来抬升这个电压，也就是通过检测充电时间，就可以判断对端是否有端接电阻的存在。

03、Rx.Detect.Quiet状态

当检测不到对端，进入这个状态之后，就会关闭Rx Detect的相关电路以节省功耗，并启动一个12ms的定时器，定时器过后又进入Rx.Detect.Active尝试重新检测插入。

04、Polling.LFPS 状态

进入到Polling.LFPS后，需要在80μs内就开始发出LFPS信号，在发送LFPS信号期间，就要为下一状态接收TSEQ Ordered Sets做好准备，因为下一阶段开始就要发送5Gbps的信号了。

离开Polling.LFPS进入下一阶段需要满足以下条件：

· 设备至少发送了16组LFPS信号；

· 设备至少接收到了2组连续的LFPS信号；

· 设备在接收到LFPS信号后，至少发送过4组连续的LFPS信号。

05、Polling.RxEQ状态

双方开始交换TSEQ Ordered Sets，这个状态并没有一个握手信号来去退出这个状态，大家各自发送完64K也就是65536个TSEQ Ordered Sets之后就自动进入下一个状态，双方各自利用对端发过来的信号完成bit lock、symbol lock、接收均衡和极性翻转。

06、Polling.Active状态

双方会交换由16字节组成的TS1 Ordered Sets，当双方接收到到至少8个完全一致的TS1序列后，就可以进入下一阶段。

07、Polling.Configuration状态

双方交换TS2序列，其实也是用于双方互相告知已经准备好了可以进入U0阶段了，其中TS2的Link Configuration Field可以用于让链路进入Hot Reset、Loopback或者关闭扰码等用于调试的手段。当控制符没有要让连续进入复位或者环回等特殊操作的时候，并且已经接收到连续8个相同的TS2，同时在收到之后还发送了16个相同的TS2，就可以进入Polling.Idle了。

08 Polling.Idle 状态

在这个阶段，所有训练已经做完了，双方开始交互logical Idle信号也就是D0.0，如果上一阶段关闭了扰码，那么从这里开始就已经生效了。

双方都已经准备好进入U0了，于是DFP会将它的link error counter LECS清零，UFP会将自身的port设置改到默认状态。在收到连续8个Idle信号，且在收到1个Idle信号之后已经发送了16个Idle信号，就可以进入U0了，至此链路训练结束。

经过多年的发展，USB传输标准从3.x时代迈向了4.x时代，其中USB4.0支持的传输速率也来到了40 Gbps，除了速率更高之外，USB接口也逐渐走向统一，通过将多种协议组合到一个物理接口，大大减少了之前USB接口种类众多的问题。由于传输的数据速率越来越高，信号完整性也面临挑战，旨在解决SI问题的USB retimer以及redriver芯片也加入了整个USB互联解决方案。

下一期，我们将与您继续探讨以USB控制器及驱动相关的技术原理及应用。