【硬件_USB2.0】一文讲透USB2.0硬件工作原理
1. USB2.0概述
USB 2.0 是通用串行总线第二代标准，2000年正式发布，至今仍是外设、嵌入式设备、工控场景最常用的接口之一。
1.1. USB2.0硬件物理接口
USB2.0使用4线传输信号和电源，在每个点对点的传输过程中，信号通过D+、D-两根线进行传输。
- 所有USB2.0均为4芯线缆，无额外高速差分线；
- 高速模式下依靠 D+/D‑差分信号 传输，抗干扰更好；
- 默认配置：5V / 500mA，功率 2.5W；
- 可通过协议协商提升电流，最高可达 5V / 1.5A（部分设备支持）；
- 无快充协议，充电速度远低于 USB‑PD、QC 等快充标准；
| 引脚编号 | 信号名称 | 功能说明 |
| 1 | VBUS | +5V 电源 |
| 2 | D‑ | 差分数据负 |
| 3 | D+ | 差分数据正 |
| 4 | GND | 信号地 |
常见接口形态如下：
| 接口名称 | 外观特点 | 主要用途 |
| Type‑A | 长方形扁平口，最通用 | 电脑、HUB、充电器、主机端 |
| Type‑B | 方形大口 | 打印机、扫描仪、大型外设 |
| Mini‑USB | 梯形小接口，上下不对称 | 早期相机、MP3、老款行车记录仪 |
| Micro‑USB | 更扁的梯形，一侧有斜角 | 旧安卓手机、充电宝、蓝牙设备 |
1.2. USB2.0星形拓扑连接方式
USB 2.0 标准拓扑结构为星形层级拓扑（树型星形），以主机为中心向外辐射，依靠 USB HUB 实现扩展。
- 只有一个主设备（Host）：通常是电脑、工控主机，所有通信由主机发起，外设不能主动发送数据；
- HUB 作为星形分支节点：主机 → 一级HUB → 二级HUB → 外设，呈层级星形展开；
- 级联层数限制：USB 2.0 最多允许 5 层拓扑深度（含主机），实际可用最多串联 4 个HUB；
- 设备总数上限：整个总线最多挂载 127 个设备（含HUB本身）；
2. USB2.0 PHY工作模式
USB 2.0 包含三种工作模式，硬件向下兼容 USB 1.1：
| 模式名称 | 英文名称 | 理论速率 | 典型应用场景 |
| 高速 | High‑Speed | 480 Mbps | U盘、移动硬盘、高清摄像头、打印机 |
| 全速 | Full‑Speed | 12 Mbps | 普通键鼠、读卡器、音频外设 |
| 低速 | Low‑Speed | 1.5 Mbps | 简单按键、老式鼠标、小型传感器 |
2.1. 低速/全速模式
LS/FS模式下，使用的是3.3V的IO，D+、D-单端摆幅0-3.3V。发射端的输出阻抗28~44Ω，如果LS/FS复用HS-driver，输出阻抗范围40.5~49.5Ω。
这里说一下支持HS-MODE的PHY不一定需要支持LS-MODE但是一定需要支持FS-MODE。
1. 信号边沿速率：
- 低速：信号跳变更平缓，抗干扰弱，用于简单低速率外设
- 全速：信号边沿更快，满足中等速度数据传输
2. 主机识别方式：靠 D+ / D‑ 上拉电阻 区分模式：
- 全速设备：上电时在 D+ 接 1.5kΩ 上拉电阻
- 低速设备：上电时在 D‑ 接 1.5kΩ 上拉电阻
主机检测到上拉位置，自动切换对应速率。
3. 核心参数：
| 项目 | 低速 Low‑Speed | 全速 Full‑Speed |
| 理论速率 | 1.5 Mbps | 12 Mbps |
| 差分信号 | 半速差分，边沿更缓 | 标准差分 |
| 典型设备 | 老式鼠标、简易按键、小型传感器 | 普通键鼠、USB声卡、读卡器 |
| 传输距离 | 最长 3m | 最长 5m |
| 编码方式 | NRZI 不归零反转编码 | NRZI 不归零反转编码 |
2.2. 高速模式
在支持HS-MODE的设备中，需要进行握手确认，都支持HS-MODE，才能进入HS-MODE的工作模式。握手总是紧随RESET 之后。
- 驱动的差分输出阻抗为90Ω±15%；
- 单端输出阻抗45Ω±15%；
- 单端信号摆幅400mV±10%；
HS模式下，发射端的单端输出阻抗是45Ω , 接收端同样也有匹配的终端电阻45欧姆 。因此在DP或者DM上看到的等效DC阻抗为22.5Ω。
1. 速率协商机制：
- 主机先以全速（12 Mbps）握手，设备再发出高速检测信号，协商成功后切换到 480 Mbps；
- 协商失败则降级为全速运行；
2. 信号与电气特性
- 依旧是 D+ / D‑ 差分信号，提高跳变频率实现高速；
- 必须用带屏蔽的 USB 2.0；
3. 核心参数：
| 项目 | 高速模式 High‑Speed |
| 理论传输速率 | 480 Mbps |
| 编码方式 | 同样采用 NRZI 编码，比特率更高 |
| 识别方式 | 设备握手协商，非单纯靠上拉电阻 |
| 最大传输距离 | 5 m |
| 线缆要求 | 必须使用屏蔽双绞线，普通线无法稳定跑高速 |
2.3. CHIRP模式
CHIRP‑MODE 是 USB 2.0 设备进入高速模式的握手信号机制，用来让主机和设备从全速切换到 480Mbps 高速。
- LS/FS模式没有CHIRP-MODE这个概念，LS/FS模式的进入是通过判断DM、DP线上高电平，从而判断进入不同的模式；
- CHIRP模式的作用是帮助支持HS-MODE的HOST和DEVICE进行协商进入HS-MODE；
- CHIRP-MODE仅仅在RESET之后的握手动作中使用，CHIRP-MODE时，只打开自身的45Ω对地电阻，因此CHIRP-MODE的信号幅度是HS-MODE信号幅度的两倍；
CHIRP模式协商流程：
- 设备上电，先默认以 全速 12 Mbps 启动；
- 设备发出 CHIRP‑K 信号（D‑ 为高，D+ 为低）；
- 主机检测到 CHIRP 后，回复交替的 K‑J 序列；
- 设备收到主机应答，双方确认，切换到 480 Mbps 高速模式；
- 协商失败 → 保持全速 12 Mbps 运行；
2.4. NRZI编码和“J”“K”状态
2.4.1. NRZI编码
NRZI（Non‑Return‑to‑Zero Inverted，反转不归零编码）；
编码规则：遇到数据位 1，电平保持不变；遇到数据位 0，电平发生翻转。
USB采用NRZI的编码方式传送数据。在NRZI编码中，当遇到“0” 时，信号电平发生翻转，遇到“1” 信号电平保持上一个状态不变。
USB协议规定连续 6 个 '1' 之后自动插入一个 '0'（Bit Stuffing）（填充位，接收端会丢弃这个填充的0）。这个填充的 '0' 会在NRZI中产生一次翻转，强制接收端可以重新同步时钟。
2.4.2. JK状态
USB 协议规定通过判断总线上D+\D-两条线上相对地的实际电平来判断状态“J”和“K”。
| 工作模式 | J 态定义 | K 态定义 |
| LS‑Mode 低速（1.5Mbps） | D‑ > D+ | D+ > D‑ |
| FS‑Mode 全速（12Mbps） | D+ > D‑ | D‑ > D+ |
| HS‑Mode 高速（480Mbps） | D+ > D‑ | D‑ > D+ |
2.5. SE0信号&同步信号&EOP
在FS/LS-MODE中，用3对KJ+1对K来表示同步头（SYNC），共计8个bit，用2个bit宽度的SE0+1个bit“J”来表示EOP。对于大于2.5us的SE0被定义为RESET。
对于FS模式，SE0的宽度为160ns-175ns之间；
对于LS 模式，SE0的宽度为1.25us-1.5us之间。SE0的时间长度必须小于2个LS模式的bit (<2.5us)，否则会被认为是RESET。
2.5.1. SE0信号
SE0定义：USB协议中定义当D+、D-都是“0”电平时为SE0。
LS/FS模式的空闲状态是“J“，HS模式的空闲状态是SE0。
SE0信号核心作用：
- 总线复位（Reset）：持续较长时间的 SE0（≥10ms），主机下发复位信号，设备重新初始化；
- 包结束信号（EOP，End of Packet）：数据包末尾用两个位时间的 SE0 + 一个位时间 J 态表示包结束；
- 总线空闲：短时间 SE0 后回到 J 态，代表总线空闲；
2.5.2. 同步信号
同步信号作用：USB 数据包最开头的一段固定序列，用于接收端同步时钟、锁定比特速率，保证收发双方采样对齐。
同步信号格式：
- 高速模式标准同步头：15 对 KJ + 1 个 K
- 1 对 KJ = 2 bit
- 总比特数：15*2 + 2= 32bit
| 工作模式 | 同步字段长度 | 同步序列 | 主要作用 |
| 低速 LS / 全速 FS | 8 bit | K‑J‑K‑J‑K‑J‑K‑K | 位时钟同步，锁定采样时刻 |
| 高速 HS | 32bit | 15 组 K‑J 交替 + K‑K | 高速下更充分的时钟同步 |
2.5.3. EOP信号
高速模式 EOP 比特固定为：0 1 1 1 1 1 1 1 1（共 9bit），区别于低速/全速的 SE0 电平结束包，HS 依靠 NRZI 编码跳变特征识别 EOP。
| 对比项 | 低速 / 全速（LS/FS，1.5M/12Mbps） | 高速（HS，480Mbps） |
| 识别方式 | 物理电平 SE0 判定 | NRZI 编码比特流判定 |
| EOP 比特/电平格式 | 2 bit SE0 + 1 bit J（SE0, SE0, J） | 固定 9bit 序列： |
| 总线实际波形 | D+、D‑ 同时拉低（SE0） | 连续 8 位 J 或 连续 8 位 K |
| 电平由什么决定 | 固定 SE0 电平，与前序数据无关 | 由数据包最后一位电平决定：末位J → 8个K末位K → 8个J |
| 位填充规则 | 不涉及位填充 | 不受 6 个连续 1 必须插 0 的规则约束 |
| 接收端判断逻辑 | 检测到连续两个 SE0 即判定 EOP | 检测到超过 6 个连续 1，直接判定为 EOP |
3. 高速模式时序
3.1. HS Suspend 检测
设备工作在高速（HS‑MODE）时，若检测到总线上持续 SE0 电平超过 3ms，进入挂起流程并自动切换为全速（FS）状态。
| 项目 | 设备端（Device） | 主机端（Host） |
| 触发条件 | HS 模式下检测到 SE0 持续超过 3ms | 主动进入挂起，发出弱驱动 SE0 |
| 终端电阻变化 | 撤销 DP/DM 45Ω 对地电阻DP 引脚接入 1.5kΩ 上拉电阻 | 移除 45Ω 驱动电阻DP/DM 改为 15kΩ 下拉电阻 |
| 工作模式切换 | 由 HS 模式切换为 FS 模式 | 停止 HS 强驱动，进入低功耗待机 |
| 总线驱动类型 | 切换为 FS 设备电气特性 | 输出弱 SE0，维持低功耗总线状态 |
3.2. RESET检测
在LS/FS-MODE，DEVICE检测到>2.5us的SE0，就会进入RESET 。
在HS-MODE情况下DEVICE检测到超过3ms 的SE0状态后，将马上切成FS模式，也就是撤销接收端45Ω到地电阻，并在DP上挂上1.5K上拉电阻。此时HOST发出的是强驱动SE0，即HOST对地45Ω还在。（本质就是判断SE0大于3ms以后是否为强驱动）：
3.3. HS-MODE握手检测
支持高速模式的设备，检测到强驱动 SE0、进入复位状态后，启动 HS 握手协商，分为三种场景：
| 序号 | 设备当前工作状态 | 触发事件 | 设备行为 | 最终判定 |
| 1 | LS / FS 模式 | 检测到 SE0 持续 ＞2.5 μs | 进入复位（RESET），启动握手流程 | 主机发起总线复位，开始 HS 握手 |
| 2 | 挂起 Suspend（FS‑J 状态） | 检测到 SE0 | 判定为强驱动 SE0，进入复位，启动握手 | 主机复位唤醒，开始 HS 握手 |
| 3 | HS 高速模式 | 检测到 SE0 持续 ＞3 ms | 先切换为 FS 电气模式，再判断 SE0 驱动强度 | 强 SE0 = 复位+握手弱 SE0 = 进入挂起 |
- HS 握手的必要前提：设备进入 RESET（复位状态）；
- 复位的本质：总线出现主机侧的强驱动 SE0；
3.4. USB2.0握手流程
1. 设备检测到主机发起的总线复位（RESET）后，进入 Chirp 模式。
- 收发器仍使用 HS 高速驱动与接收电路；
- 但终端电阻保持 FS 全速配置（DP 1.5k 上拉，无 45Ω 对地电阻）；
2. 设备发送至少 1ms 的 Chirp‑K 信号，等待主机响应。
3. 高速主机检测到 Chirp‑K 后，回复至少 3 对 Chirp‑KJ。
4. 设备识别到 3 对 KJ 序列，正式进入 HS‑MODE。
- 打开 DP/DM 45Ω 对地终端电阻；
- 进入高速 480Mbps 等待正常数据包；
| 场景 | 设备动作 | 主机动作 | 最终结果 |
| HS‑Host + HS‑Device | 复位后发送 1ms Chirp‑K | 收到 Chirp‑K 回复 ≥3 对 KJ | 双方进入高速模式 |
| FS‑Host + HS‑Device | 复位后发送 1ms Chirp‑K | 不识别 Chirp‑K，无 KJ 响应 | 超时后设备维持 FS 全速模式 |
| FS‑Device + 任意 Host | 复位后不发送 Chirp‑K | 直接按全速初始化 | 保持全速通信 |
HS-HOST/HS-DEVICE 握手：
FS-HOST /HS-DEVICE
3.5. 工作恢复状态
设备已从 HS‑Mode 进入 Suspend（挂起），此时工作在 FS 电气状态（DP 1.5k 上拉，无 45Ω 电阻）。
| 恢复类型 | 触发方 | 关键信号流程 | 设备最终动作 |
| Device 发起恢复 | 外设设备 | 1. 设备主动发送 FS‑K2. 主机检测到 FS‑K 并维持3. 主机随后发出 FS 标准 SE0 复位 | 设备检测到 SE0，退出挂起，恢复 HS‑Mode |
| Host 发起恢复 | 主机 | 1. 主机主动发送 FS‑K2. 设备检测到 FS‑J → FS‑K 跳变，退出挂起上电3. 等待并检测到 ≥1.33μs SE0 | 确认复位，恢复 HS‑Mode 正常通信 |
3.6. HS-DEVICE 的插入
设备检测到 VBUS 插入上电 后，默认进入 FS‑MODE（全速模式），此时设备在 DP 引脚接入 1.5kΩ 上拉电阻，总线保持 FS‑J 状态。
| 步骤 | 触发条件 | 设备状态/动作 | 总线电平/电阻特征 | 主机动作 | 后续流程 |
| 1 | VBUS 插入、设备上电 | 设备默认初始化 FS全速模式未开启高速45Ω终端电阻 | DP挂载1.5总线维持 FS-J空闲电平 | 持续检测总线状态，识别设备接入 | 等待主机下发复位信号 |
| 2 | 主机检测到总线FS-J电平 | 保持FS待机状态，监听总线信号 | 稳定FS-J电平，无电平跳变 | 确认外设接入，主动发起FS模式SE0复位 | 总线进入复位状态，触发设备握手逻辑 |
| 3 | 设备检测到FS SE0复位 | 退出默认FS待机，进入CHIRP握手模式收发使用HS驱动/接收电路，保留FS终端电阻 | 保留1.5K上拉，无45Ω对地电阻 | 持续维持复位时序，等待设备 Chirp 信号 | 进入USB高速协商核心流程 |
| 4 | 握手阶段（HS设备专属） | 设备输出≥1ms Chirp-K等待主机应答 | 总线输出固定Chirp-K电平 | 支持HS：回复≥3对Chirp-K不支持HS：无任何应答 | 握手成功→切换HS模式握手失败→维持FS模式 |
| 5 | 握手成功 | 关闭FS 1.5K上拉，开启DP/DM 45Ω对地电阻正式进入HS高速工作模式 | 总线切换为HS差分电平特征 | 同步切换HS驱动模式，准备高速数据通信 | 进入正常HS业务通信状态 |