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基于DWC2的USB驅(qū)動(dòng)開發(fā)-高速設(shè)備速度握手詳解 (qq.com)

前言

前面我們分析了USB連接和復(fù)位的過程, 也知道低速和全速/高速的USB設(shè)備分別是上拉DM和DP,主機(jī)通過不同的上拉區(qū)分接的是低速還是全速/高速設(shè)備的。但是怎么區(qū)分全速和高速呢？ 這就需要額外的一些握手過程，本篇就來詳細(xì)介紹該過程。

高速握手過程

USB連接檢測(cè)過程見如下

https://mp.weixin.qq.com/s/T6pbLP83IIeJDvM_6ogQDA

USB復(fù)位過程見

https://mp.weixin.qq.com/s/8xKca-XPjZXAiO6MOQVGAQ

對(duì)于低速設(shè)備上拉DM，主機(jī)檢測(cè)到該上拉，然后發(fā)送復(fù)位就完了

對(duì)于全速和高速設(shè)備上拉DP，主機(jī)檢測(cè)到該上拉，然后發(fā)送復(fù)位，接下來是速度握手過程。

老規(guī)矩我們從規(guī)格書入手，USB2.0規(guī)格書P154中《High-speed Detection Handshake (not performed if low-speed device detected by hub):》有描述整個(gè)過程，但是這都是文字描述，不是很直觀，所以我們理論結(jié)合實(shí)踐，直接根據(jù)真實(shí)的波形和規(guī)格書的描述對(duì)照進(jìn)行分析。

在速度握手中，主機(jī)（集線器）和設(shè)備都需要檢測(cè)擁有最小持續(xù)時(shí)間的Chirp J和K, 涉及到兩個(gè)關(guān)鍵信號(hào)Chirp J和K(參見規(guī)格書7.1 Signaling或者本系列文章)。

整個(gè)過程如下

(1)設(shè)備使能DP上拉1.5K，如下圖的(1)處,此時(shí)DP大概3V左右

(2)主機(jī)檢測(cè)到DP拉高，檢測(cè)到設(shè)備連接，發(fā)送SE0進(jìn)行復(fù)位

如上圖的(2)，因?yàn)闀r(shí)間很短，下面是細(xì)節(jié)圖，可以看到下圖SE0狀態(tài)只維持了8uS,后面就是藍(lán)色線(DM)高于黃色線即Chirp K信號(hào)，對(duì)應(yīng)上圖的(3)部分。

回顧一下復(fù)位分析那一篇文章，發(fā)送放復(fù)位會(huì)持續(xù)50mS，但是接收方在最低2.5uS就可以識(shí)別到復(fù)位，這里實(shí)測(cè)是8uS設(shè)備就識(shí)別到復(fù)位然后開始發(fā)送Chirp K信號(hào)了。

保持D+上的1.5K上拉電阻使能，設(shè)備發(fā)送Chirp K信號(hào)是通過，禁用高速終端電阻，并將高速信號(hào)電流驅(qū)動(dòng)到D-線完成的。

這里有點(diǎn)不理解禁用了終端電阻，電流驅(qū)動(dòng)到D-線,電流環(huán)路是什么?

并且如下可以看到DM有1.2V左右，這個(gè)電壓是如何來的?

該Chirp K信號(hào)必須持續(xù)不少于1.0 ms（TUCH），并且在高速復(fù)位時(shí)間T0點(diǎn)(即主機(jī)發(fā)出的SE0開始)后不超過7.0 ms（TUCHEND）結(jié)束。

Chirp K持續(xù)時(shí)間如下所示，這里是2mS，滿足上述要求

參數(shù)TUCH和TUCHEND的值在手冊(cè)中的描述如下

上述可以看到Chirp K的信號(hào)，DM大概是1.1V左右,比后面的KJ序列高一點(diǎn)。

(3)主機(jī)(集線器)必須在看到chirp K信號(hào)持續(xù)2.5μs（TFILT）時(shí)間以上，后認(rèn)為檢測(cè)到設(shè)備發(fā)出的ChirpK,這里的2.5uS的要是實(shí)際是相當(dāng)于濾波避免干擾。如果主機(jī)(集線器)未檢測(cè)到設(shè)備發(fā)出的chirp K信號(hào)，則必須繼續(xù)發(fā)送SE0，直到復(fù)位結(jié)束(持續(xù)50mS)。

TFILT參數(shù)見規(guī)格書如下處說明

在Chirp K狀態(tài)結(jié)束后不超過100μs（TWTDCH），主機(jī)（集線器）必須開始發(fā)送Chirp K和Chirp J的交替序列，J和K之間不得存在空閑狀態(tài)。此序列必須持續(xù)到復(fù)位結(jié)束前不超過500μs且不少于100μs的時(shí)間（TDCHSE0）（這樣的目的是保證總線保持活動(dòng)狀態(tài)，防止設(shè)備進(jìn)入高速掛起狀態(tài)。）。每個(gè)單獨(dú)的Chirp K和Chirp J必須持續(xù)不少于40μs且不超過60μs（TDCHBIT）。

TWTDCH，TDCHSE0，TDCHBIT的參數(shù)上圖。

如下圖(4)處

細(xì)節(jié)圖如下

如下可以看到要求Chirp K結(jié)束100μs（TWTDCH）以內(nèi)開始后面的KJ序列，實(shí)際10uS左右就開始了，滿足要求。

如下圖所示，主機(jī)發(fā)送的KJ序列持續(xù)了約50mS，即約復(fù)位的時(shí)間，實(shí)際要求是發(fā)送到復(fù)位結(jié)束前的100μs~500uS,這里示波器能力有限就不展示下圖右邊紅色圈處的細(xì)節(jié)了。

在K-J序列之后，主機(jī)(集線器)發(fā)送SE0，直到復(fù)位結(jié)束，即上面說的KJ序列之后100~500uS復(fù)位結(jié)束。復(fù)位結(jié)束時(shí)，主機(jī)(集線器)必須轉(zhuǎn)換到高速啟用狀態(tài)，而不會(huì)在數(shù)據(jù)線上引起任何轉(zhuǎn)換。

(4)設(shè)備這端發(fā)送完Chirp K之后監(jiān)控主機(jī)發(fā)送的K-J序列。設(shè)備端需要至少看到3對(duì)K-J序列，即序列Chirp K-J-K-J-K-J才認(rèn)為是有效的KJ序列。每個(gè)單獨(dú)的Chirp K和Chirp J必須檢測(cè)不少于2.5μs（TFILT）。

我們這里看到有持續(xù)50uS滿足要求

如果設(shè)備檢測(cè)到序列Chirp K-J-K-J-K-J，則檢測(cè)后不超過500μs（TWTHS），設(shè)備需要斷開D+上拉電阻器，啟用高速終端，并進(jìn)入高速默認(rèn)狀態(tài)。

如下圖所示，這里剛好約500uS左右進(jìn)行了上述切換，上述切換也導(dǎo)致了DP和DM的電平的變化，原來KJ序列大概是0.8V左右，即主機(jī)發(fā)送KJ是通過電流17.78mA驅(qū)動(dòng)45歐終端電阻實(shí)現(xiàn)的，17.78mA*45即0.8V。而我們又看到后面箭頭處的電壓下降，是因?yàn)檎檬巧鲜龅脑O(shè)備切換到了高速模式，使能了45Ω終端電阻，所以設(shè)備的終端電阻和主機(jī)的終端電阻并聯(lián)只有一般電阻，所以電壓就只有一般0.4V左右了。

如果設(shè)備在完成其自己的Chirp K之后，在不小于1.0ms且不大于2.5ms（TWTFS）的時(shí)間內(nèi)未檢測(cè)到有效KJ序列，則設(shè)備需要恢復(fù)到全速默認(rèn)狀態(tài)并等待復(fù)位結(jié)束。

以上就是整個(gè)速度握手的過程，比較細(xì)節(jié)，我們?cè)僮鲆恍┛偨Y(jié)

關(guān)于整體電壓的變化，如下圖，有4個(gè)等級(jí)，圖中(1)和(2)之間還有個(gè)復(fù)位的SE0電平這里就略掉了。

(1)即設(shè)備通過DP上拉,即15K和1.5k的分壓,3.3x15/(1.5+15) DP大概3V.

(2)設(shè)備發(fā)送Chirp K，DP 1.5K上拉還在，設(shè)備終端電阻禁用，實(shí)測(cè)D-上的電壓是大概1.2V，這里的電流路徑是什么? 待確定。

(3)主機(jī)發(fā)送KJ序列,主機(jī)通過驅(qū)動(dòng)17.78mA電流到對(duì)應(yīng)45歐終端電阻,發(fā)送KJ，所以DP DM是0.8V

(4)設(shè)備也進(jìn)入了高速模式，1.5k上拉斷開，設(shè)備使能了45歐終端電阻，和主機(jī)的終端電阻并聯(lián)，主機(jī)繼續(xù)在發(fā)KJ序列，此時(shí)主機(jī)的17.78mA電流驅(qū)動(dòng)只能產(chǎn)生0.4V的電壓。

驅(qū)動(dòng)編寫

手冊(cè)P522 5.4.47 DCFG的bit[1:0]DevSpd用于配置設(shè)備期望工作過的速度，注意這里是期望，而不是一定，因?yàn)檫€需要速度握手過程，比如這里配置為高速，則還需要看主機(jī)是否支持高速。

所以我們需要在初始化時(shí)配置該位，告訴控制器后面以該速度去進(jìn)行速度握手。那么握手結(jié)束之后實(shí)際是什么速度呢，手冊(cè)P539的5.4.49 DSTS寄存器的位[2:1]EnumSpd可以看到

在速度握手完成之后還會(huì)產(chǎn)生中斷，

手冊(cè)P369寄存器5.4.7 GINTMSK的位13 EnumDoneMsk設(shè)置為1使能，速度握手完成中斷。

相應(yīng)的手冊(cè)P357寄存器5.4.6 GINTSTS的位13EnumDone為中斷標(biāo)志，寫1清除標(biāo)志

所以驅(qū)動(dòng)的基本過程是

1.初始化配置DevSpd設(shè)置期望的工作速度

2.配置EnumDoneMsk使能中斷，清除標(biāo)志EnumDone

3.等待中斷，查詢實(shí)際握手的速度EnumSpd，根據(jù)該速度再次重新配置DevSpd設(shè)置工作過速度。并清除標(biāo)志EnumDone。

以上就完成了整個(gè)速度握手過程。

實(shí)際以上邏輯如果是非標(biāo)主機(jī)，可能會(huì)存在BUG，后面會(huì)有一個(gè)實(shí)際案例進(jìn)行分享，先賣個(gè)關(guān)子以后再單獨(dú)寫一篇文章分享該案例。

如下圖兩個(gè)箭頭處分別對(duì)應(yīng)的是復(fù)位中斷，和速度握手完成中斷

我們通過中斷服務(wù)函數(shù)中打印時(shí)間戳(注意要用非阻塞方式)，看到Reset_Intr和High speed之間的時(shí)間剛好是50mS(打印的是uS單位)，和圖中對(duì)應(yīng)

而我們?cè)趗sb_dev_crtl_sft_discon(0);使能DP上拉時(shí)也加一個(gè)打印，即上面connect后打印的時(shí)間戳和Reset_Intr之間是50mS，如下圖

總結(jié)

以上介紹了整個(gè)速度握手過程，以及設(shè)備驅(qū)動(dòng)的編寫。重點(diǎn)是結(jié)合手冊(cè)的描述對(duì)照波形去看和分析，要了解沒以一個(gè)實(shí)踐段，每一個(gè)信號(hào)，每一個(gè)電平的含義和原理，知道那個(gè)信號(hào)是誰驅(qū)動(dòng)的，為什么是這個(gè)波形，一定要自己親自用示波器去抓波形，而不要使用別人的波形，因?yàn)椴煌脑O(shè)備可能略有差異，如何去觸發(fā)，如何去抓波形，也會(huì)加深自己的理解。