USB2.0、USB3.x、USB4的这些基础知识你知道吗？

2023-05-06 01:36:24

1. USB2.0

USB2.0是应用时间最长久的USB总线。虽然USB3.x已发布很久，USB4的2.0版都发布了，但USB2.0却还在广泛应用中。那么，对于用了这么久的USB2.0，你知道哪些基础知识呢？下面，我来为大家做个简要介绍：

1.1 USB2.0使用差分信号传输数据

USB2.0使用一对差分信号传输数据，并可以为USB设备提供电源。差分信号名称一般标示为“D+”和“D-”。建议“D+”信号使用绿色线，“D-”信号使用白色线。建议电源正极使用红色线，回路地使用黑色线。所有线的外层，必须先包一层屏蔽层再包外皮。如下图所示。

1.2 层次星型拓朴结构

由于USB采用差分信号传输数据，只能采用点对点的连接方式，导致USB系统只能使用星型拓扑结构。如下图所示。

在一个USB2.0总线系统中，有且只能有一个主机（Host），最多可以支持126个设备（含Host共127），最多可以连接7个层级（包含Host/根层）。一条USB电缆最长可以做到5m，因此，一个链路最长的传输距离大约为30m（5m×6）。

1.3 USB2.0支持三种传输速率

USB2.0可以支持三种传输速率：低速USB设备传输速率为1.5Mbps，全速USB设备传输速率为12Mbps，高速USB设备传输速率为480Mbps。

在硬件电路方面，低速USB设备内部的“D-”信号应该通过1.5K的电阻上拉到3~3.6V；全速USB设备内部的“D+”信号应该通过1.5K的电阻上拉到3~3.6V；高速USB设备内部的“D+”信号先是通过1.5K的电阻上拉到3~3.6V，然后断开上拉电阻由软件配置成高速设备。在USB上游设备中，“D+”和“D-”信号应该通过15K电阻下拉到地。

平常，上游USB接口被15K电阻下拉到地，为低电平。当USB设备插入上游USB接口时：如果“D-”信号被拉成高电平，则USB系统知道接入的是低速USB设备。将该端口配置成低速模式。如果是“D+”信号被上拉变成高电平，则USB系统知道接入的是全速USB设备。将该端口配置成全速模式。高速USB设备则是先配置成全速模式，再配置成高速模式。如下图所示。

1.4 USB枚举过程和六种状态

USB枚举过程大致如下：

a） USB设备插入USB系统中的某USB上游端口。

b）该上游USB端口向USB设备提供电源Vbus（连接状态）。

c）USB设备驱动“D+”或“D-”信号为高电平（上电状态）。

d）上游端口向USB设备请求设备描述符（缺省状态）。

e）USB设备向上游端口报告设备的部分信息（缺省状态）。

f）上游端口为USB设备设置地址（地址状态）。

g）USB设备进入新的地址（地址状态）。

j）上游端口向USB设备请求配置描述符（配置状态）。

i）USB设备向上游端口报告设备的完整信息（配置状态）。

j）上游端口配置USB驱动或USB接口等等（配置状态）。

k）下游USB端口响应配置（配置状态）

i）如果USB设备3~10ms不活动，收进入休眠状态。

1.5 USB设备架构

一个USB设备，可以拥有多个配置。一个USB配置，可以拥有多个接口；一个USB接口，可以拥有多个端口。请参考下面的示意图。

1.6 USB2.0常用连接器

1.6.1 A型插座。一般安装在上游设备上。比如计算机主板，PCI界面的USB卡等等。

1.6.2 B型插座。一般安装在下游设备上。比如打印机，扫描仪等等。

1.6.3 Mini-B型插座。一般安装在小型USB设备上。比如MP3、MP4、USB小音箱等。

1.6.4 Micro-B、Micro-AB。一般安装在又小又薄的USB设备上。

2. USB3.x

这里说的USB3.x是指USB3.0、USB3.1、USB3.2。

2.1 USB3.x总线信号

在USB3.x总线中，保留完整的USB2.0信号，并可以独立使用。另外新增两对高速差分对，分别用于发送和接收。可同时双向传输。信号名称如下表：

2.2 USB3.x采用双总线系统结构

USB3.x本质上是启用了一套新的总线协议，为了向后兼容，保留了原来的USB2.0协议。所以，在USB3.x系统中，是USB2.0和USB3.x两个总线同时在运行。如下图所示：

2.3 USB3.x传输速率

USB3.0的传输速率为5Gbps。称为超高速，后来被称为Gen1。USB3.1的传输速率为10Gbps。称为超高速+，后来被称为Gen2。USB3.2利用Type-C双倍信号线的优势，实现了传输速率翻倍，即Gen1*2=10Gbps；Gen2*2=20Gbps；

2.4 USB3.x连接器

2.4.1 A型USB3.x插座

2.4.2 B型USB3.x插座

2.4.3 Micro-B型USB3.x插座

2.4.4 C型USB插座（Type-C连接器较早就在用，但是是在单独的规范文件中出现）

2.5 USB3.x电缆基本要求

在USB3.x电缆中，除了USB2.0需要用到的非屏蔽双绞线和电源线地线外，还增加了两对屏蔽双绞线，用于发送差分对和接收差分对。如下图所示。

2.6 USB3.x互连电缆

由于USB2.0和USB3.x用到的连接器种类繁多，导致USB设备之间的互联电缆也是品种繁多。下面简要介绍几款常用电缆的内部连线方法。

2.6.1 USB 3.x标准A型插头连接到USB 3.x标准B型插头的电缆，其内部连线如下表：

2.6.2 USB 3.x标准A型插头转接到USB 3.x微型B插头的电缆，其内部连线如下表：

2.6.3 USB 3.x微型A插头转接到USB 3.x微型B插头的电缆，其内部连线如下表

2.6.4 标准全功能USB Type-C互连电缆，两端都是USB Type-C插头，其电缆内部连线如下表。

2.6.5 仅支持USB 2.0的USB Type-C互连电缆，不需要SDP（屏蔽双绞线），其电缆内部连线如下表：

2.6.6 USB Type-C插头转接到USB 3.x标准A型插头的互连电缆，其内部连线如下表：

2.6.7 USB Type-C插头转接到USB 2.0标准A型插头，其互连电缆内部连线如下表：

2.6.8 USB Type-C插头转接到USB 3.x标准B型插头的互连电缆，其内部连线如下表。

3. USB4

USB4结束了USB连接器种类繁多的局面，只使用Type-C连接器。

USB4 1.0的传输速率是20Gbps，称为Gen3，利用Type-C的双通道，可以实现Gen3*2=40Gbps的传输速率。刚刚发布的USB4 2.0的传输速率可达40Gbps，利用Type-C的双通道，可以实现80Gbps的传输速率。

3.1 USB4使用双总线系统架构

USB4仍然使用双总线系统架构。和USB3.x一样，是以USB2.0+USB4的形式存在。如有需要，可以把USB2.0分离出来单独使用。如下图所示

3.2 USB4的隧道

USB4引入了隧道的概念，USB3.x的数据流、DP的数据流、PCIe的数据流都可以被打包，在USB4系统中传输。请参阅如下示意图

无论是从逻辑分层还是数据编解码等方面来看，USB4已经越来越像PCIe总线了，如要了解更多细节，可参阅规范文件或《工业计算机硬件技术支持手册》

下次如果有时间，且读者需要，我再整理一些USB OTG及USB各种充电协议或其它USB相关知识。但如果需要的人不多，就算了。需要的可以给我留言。