2.7通用串行总线 USB Universal Serial Bus

1 USB是什么？
2 USB接口特点？
3 USB接口定义
3.1 USB2.0接口定义
3.2 USB3.0接口定义
3.2.1 USB3.0 Standard-A
3.2.2 USB3.0 Standard-B
3.2.3 USB3.0 Powered-B
3.2.4 USB3.0 Micro-B
3.2.5 USB3.0 Micro-AB/-A
4 其他
4.1关于OTG
4.2 关于热插拔
4.3 USB接口的标识识别
4.4 USB传输结构
4.5 Type-C接口
5 Layout注意事项
6 信号测试
7 电路设计
8 调试问题
9 参考链接

1 USB是什么？

USB是Universal Serial Bus（通用串行总线）的缩写，是一个外部总线标准，用于规范电脑与外部设备的连接和通讯。是应用在PC领域的接口技术。由英特尔牵头与多家公司组成的机构USB Implementers Forum（USB-IF）在1996年推出1.0版，即USB1.0。

USB 总线作为一种高速串行总线，其极高的传输速度可以满足高速数据传输的应用环境要求，且该总线还兼有供电简单（可总线供电）、安装配置便捷（支持即插即用和热插拔）、扩展端口简易（通过集线器最多可扩展127 个外设）、传输方式多样化（4 种传输模式），以及兼容良好（产品升级后向下兼容）等优点。
USB自推出以来，已成功替代串口和并口，成为21世纪大量计算机和智能设备的标准扩展接口和必备接口之一，现已发展到USB 3.2版本。USB 具有传输速度快、使用方便、支持热插拔、连接灵活、独立供电等优点，可以连接键盘、鼠标、大容量存储设备等多种外设，该接口也被广泛用于智能手机中。计算机等智能设备与外界数据的交互主要以网络和USB接口为主。

USB总线标准主要变更如下。

USB-IF(USB标准化组织)居然又变更标准名! 即日起, 官方标准名不再包含 “USB3.0” 和 “USB3.1”. 只有"USB3.2"和"USB2.0"这两种名称+后缀. 考虑到兼容性，USB 3.0、USB 3.1、USB 3.2分别被叫做USB 3.2 Gen 1、USB 3.2 Gen 2、USB 3.2 Gen 2x2。(刚好是速率上的倍数关系)
而还未正式问世的USB4则是在USB3.2 Gen2x2的基础上，再将带宽翻一倍。可以达到40Gbps。物理接口只有 USB Type-C 一种，向下兼容 USB 3.2 / USB 2.0 和 Thunderbolt 3.

【转载】USB接口详细读解, USB3.2/USB4标准与Gen2和Gen1的区别

2 USB接口特点？

USB设备具有以下优点：
1.可以热插拔。就是用户在使用外接设备时，不需要关机再开机等动作，而是在电脑工作时，直接将USB插上使用。
2.携带方便。USB设备大多以“小、轻、薄”见长，对用户来说，随身携带大量数据时，很方便。当然USB硬盘是首要之选了。
3.标准统一。以前大家常见的是IDE接口的硬盘，串口的鼠标键盘，并口的打印机扫描仪，可是有了USB之后，这些应用外设统统可以用同样的标准与个人电脑连接，这时就有了USB硬盘、USB鼠标、USB打印机等等。
4.可以连接多个设备。USB在个人电脑上往往具有多个接口，可以同时连接几个设备，如果接上一个有四个端口的USB HUB时，就可以再连上四个USB设备，以此类推，尽可以连下去，将你家的设备都同时连在一台个人电脑上而不会有任何问题(注：最高可连接至127个设备)。
USB2.0规范：一个USB系统只能有一个USB主控制器，用8位地址表示下面的USB设备，一共128个地址但是USB主控制器下面必须带一个Root Hub, hub也算一个设备，换句话说，还剩下 127个地址给用户。
为什么USB最多只能连接127个设备

3 USB接口定义

3.1 USB2.0接口定义

USB2.0是一种常用的pc接口，他只有4根线，两根电源两根信号，故信号是串行传输的，usb接口也称为串行口.
USB接口的输出电压和电流是： +5V，500mA；实际上有误差，最大不能超过+/-0.2V 也就是4.8-5.2V 。(USB 3.0标准要求USB3.0接口供电能力为1A，而USB 2.0为0.5A。)
USB接口的4根线一般是下面这样分配的，需要注意的是千万不要把正负极弄反了，否则会烧掉usb设备或者电脑的南桥芯片.
定义：
红色－电源VCC：标有VCC、Power、5V、5VSB字样
白色－数据线负－DATA-、USBD-、PD-、USBDT-
绿色－数据线正－DATA+、USBD+、PD+、USBDT+
黑色－地线GND: Ground
一般的排列方式是：红白绿黑

3.2 USB3.0接口定义

USB3.0的接口可以分为以下6种，plug是插头，receptacle是插座。

左边的是插座，右边的是可以接受的插头(也就是可以兼容多种插头)

3.2.1 USB3.0 Standard-A

3.0的接口定义从2.0的4pin扩展到了9pin(有些加ID信号就是10pin了)；从定义上看首先是前4根，也就是向下兼容的USB2.0部分。因为USB2.0传输的是半双工的差分信号，所以传输数据需要至少3根线——D+/D-/地线（上行下行共用两根数据线），再加上正极供电的红线，一共4根。
之后的5根才是USB3.0的高速数据传输线，因为USB3.0传输的是全双工差分信号，所以需要两对数据线和一根屏蔽地线。
所以准确来说USB2.0一对差分（D+,D-），USB3.0是三对差分（TX-,TX+,RX-,RX+, D+,D-）, 兼容USB2.0；

3.2.2 USB3.0 Standard-B

3.2.3 USB3.0 Powered-B

从定义上来看，就比标准B多了10跟11号脚。

3.2.4 USB3.0 Micro-B

USB3.0 Micro微型连接器系列包括两种插座和两种插头，USB3.0Micro-B插座、USB3.0Micro-AB插座、USB3.0Micro-B插头和USB3.0Micro-A插头。之所以叫AB那当然是因为这种插座既可以兼容A插头，也可以兼容B插头。
如下是Micro-B插座跟Micro-AB插座的形状区别，XXX02上用的就是Micro-B插座，而TI EVM上用的则是Micro-AB插座。我的移动硬盘上用的也是Micro-B接口。

XXX02是用的Micro-B，接口定义上都写着MICB。

3.2.5 USB3.0 Micro-AB/-A

micro-AB跟micro-A定义是一样的，一般接口定义都是写MicA，要注意这里的RX跟TX的管脚定义，2011版本的3.0规范应该也还是有问题的，我上次邮件的理解其实也是错误的！！！！！
USB 3.0规范的最新版本错误地更改了规范表5-6中的USB 3.0 RX和TX引脚。

所以说下面这个表的定义是错误的！！！(从《USB3_r1.0_06_06_2011》截图)

下面这个才是正确的，跟Micro-B一样，6.7是TX，9.10是RX。
TI这里EVM板上用的插座是Micro-AB，所以它的定义其实也是正确的。

再看最新的3.1规范Universal Serial Bus 3.1 Specification《USB_3_1_r1.0》，Revision 1.0 July 26, 2013，2013最新版了没理由再写错了吧，Micro-B跟Micro-AB都是6.7为TX，9.10为RX。

另外最新的USB 3.2规范也出来了，如下豆丁网链接可直接免费下载，不过这上面没有关于引脚定义的说明
USB 3.2 Revision 1.0

4 其他

4.1关于OTG

    由于USB是主从模式，设备与设备之间、主机与主机之间不能互连，为了解决这个问题，扩大USB的使用范围，就出现了USB OTG(On the Go)。OTG的做法是同一个设备，在不同的场合下可以在主机或从机之间切换。现在市面上有些设备（比如MP4）既能插上电脑当U盘使用，也能接上U盘读取U盘。这就是OTG(On-The-Go),既可以做主设备也可以做从设备，传说中的雌雄同体。OTG不仅支持控制器的主从切换，在一定程度上，也支持相同设备之间的数据交换。

OTG-百度百科

【科普贴】USB_ID介绍

USB ID信号

AM335x OTG VBUS电路设计的一些注意要点

4.2 关于热插拔

4.3 USB接口的标识识别

下图中就是一些常见的USB接口上的标识。
第一排，接口右上方多了一个“+”号的标识，这个表示支持大电流输出1000mA。
第二排，SS是SuperSpeed的意思，那就是USB3.0的接口了，如果旁边还带有闪电标示，那就代表支持关机充电和快速充电。。
第三排，接口右上方多了一个“10”的标识，表示支持10Gbps，也就是USB3.1，若有标示“D”，则支持DP可以连接外接显示器支持显示。
第四排，有标示“带箭头的闪电”，表示支持Thunderbolt3。

Thunderbolt3(雷电3)是啥？
“Thunderbolt”(雷电)接口是Intel发布的Light Peak技术，Thunderbolt3的理论传输速度为40Gb/s，且可以支持USB3.1、DisplayPort、PCI Express和Thunderbolt四种协议。DisplayPort可支持外接显示功能（一般都标配），PCI Express支持外接显卡扩展坞（高端机选配）。可以说雷电3是Type-C中的大boss了！

4.4 USB传输结构

USB系统采用级联星型拓扑，该拓扑由三个基本部分组成：主机（Host），集线器（Hub）和功能设备。
主机，也称为根，根结或根Hub，它做在主板上或作为适配卡安装在计算机上，主机包含有主控制器和根集线器（Root Hub），控制着USB总线上的数据和控制信息的流动，每个USB系统只能有一个根集线器，它连接在主控制器上，一台计算机可能有多个根集线器。
集线器是USB结构中的特定成分，它提供叫做端口（Port）的点将设备连接到USB总线上，同时检测连接在总线上的设备，并为这些设备提供电源管理，负责总线的故障检测和恢复。集线可为总线提供能源，亦可为自身提供能源（从外部得到电源）。
功能设备通过端口与总线连接。USB同时可做Hub使用。

4.5 Type-C接口

当地时间2022年10月4日，欧洲议会以压倒性优势通过一项法案。法案规定，从2024年底开始，所有便携智能设备新机都必须使用USB Type-C的充电接口；从2026年起，USB Type-C还将成为笔记本电脑充电器的标准接口。 2022年10月，苹果25日确认，将遵守欧盟要求，2024年起所有智能手机统一使用USB-C充电口。
在供电能力方面，由于专用的供电线路的设计，Type-C能够实现五种不同的供电配置，包括最传统的5V@2A（10W）方案以及新加入的12V@1.5A（18W）、12V@3A（36W）、20V@3A（60W）以及最大的20V@5A（100W），这是在之前的老接口上难以实现的。
Type-C口有4对TX/RX分线，2对USBD+/D-，一对SBU，2个CC，另外还有4个VBUS和4个地线。CC线主要用于Power Delivery 模块（下简称PD）的通讯，CC线首先是用来判断设备插入的方向：正插或反插，如果是正插，主机使用CC1来和设备通讯，反插使用CC2，可以看到CC使用的是单线协议。SBU线在DP功能开启时，化身为DP协议中的AUX_P/AUX_N差分线（它的极性是可以根据正反插方向修改的），负责传输设备的DPCD，EDID等关键信息。

USB Type-C 百度百科

5 Layout注意事项

来自移远5G模组USB信号的Layout要求：
1.USB信号属于模拟信号，但USB_VBUS(USB检测信号)为数字信号。
2.USB 2.0 和USB 3.0 差分走线周围需要包地处理，USB 2.0 的推荐差分阻抗为90 Ω，USB 3.1的推荐差分阻抗为85 Ω。
3.USB 2.0 差分对（USB_DM、USB_DP）内部匹配的长度差应小于2.0 mm；对于USB 3.1，Tx与Rx 差分对内部匹配的长度差均应小于0.7 mm。
4.USB 走线应远离晶体、晶振、磁性装置、PCIe 和RF 信号等敏感信号源；建议将USB 差分线布局在PCB 内层，且上下左右立体包地。USB_SS_TX/RX 走线务必远离2.4 GHz 的射频天线走线。
5.器件选型时需特别注意ESD 保护元件的结电容对USB 数据线的影响。一般情况下，USB 2.0 接口ESD 器件的寄生电容应小于2.0 pF，USB 3.1 接口ESD 器件的寄生电容应小于0.3 pF，且器件尽量靠近USB 连接器放置。
6.USB_SS_TX 差分对、USB_SS_RX 差分对和USB_DM、USB_DP 差分对之间保持隔离，避免串扰。
7.交流耦合电容可沿走线线路任意位置放置，但最好尽量靠近发送端摆放，以保持PCB 上主线路的良好的信号完整性。（耦合电容还是靠近发送端放置比较好，USB 3.1 AC 耦合电容C1~C4 的容值，在Gen 2 应用中为220 nF，在Gen 1 应用中为100 nF。）

6 信号测试

USB 3.0接口的电平看NXP的1046跟2080规格书分别是1.0V跟0.8V。这部分的实测在SI内容再详细说明。

7 电路设计

7.1 USB2.0接口上共模电感的作用，是必须的吗？
不是，共模电感在此处是起EMI滤波的作用，用于抑制高速信号线产生的电磁波向外辐射发射。（主要是保证EMC测试能通过）。
比如你的usb走线很长的话,引入的共模躁声较多,加入共模电感对滤除共模噪声,确保信号质量有很大好处.还有一个问题是共模电感对EMC有好处的,当然如果省略共模电感后usb的眼图测试什么,EMC测试一切都没问题的话,完全可以拿掉.
如果直接用两个0欧电阻替换会有什么负面影响？
没有多大负面影响,就跟直接用导线连接一样.一般2.0才会加共模电感,低速的基本不用加。

7.2 USB3.0上的交流耦合电容选多大？
USB 3.1 AC 耦合电容的容值，在Gen 2 应用中为220 nF，在Gen 1 应用中为100 nF。另外耦合电容需靠TX端放置，很多图纸上TX有电容，RX没有，其实不是，图纸上因为放的是连接器，RX端的电容在另一边设备(比如电脑)也是有的。

7.3 TVS管作用？
为了防静电，有时人手去碰接口，手上有静电，静电都是几千伏的，可能会弄接口。

7.4 走线阻抗要求？
USB3.0中共有三对差分线，其中SSTX、SSRX为3.0特有的两对superspeed信号（要求阻抗90±7%，长度误差<=5mil），这两对差分信号可以交换极性，而且收发功能本身也可以交换，并且不需要在固件上做任何修改。
而 DM、DP差分对则是兼容2.0的High-speed信号，这个不可以交换极性，因为需要通过他们建立通信，识别SSTX、SSRX的极性完成自动反转。同时DM、DP差分布线时要求长度误差<=50mil(1.27mm)。
另外2.0差分信号线的差分电压值为400mV，理想差分抗阻也是为90Ω。需确保USB2.0差分线下端地层完整，地层被分隔会致使差分线阻抗断续，增加噪声对差分线干扰；走线要等长，如果线长度相差太大，可以用蛇形线增加或缩短线长。

请问一个usb3.0可以拆开成一个2.0与一个纯3.0吗？

为什么USB3.0的TX需要接AC耦合电容，USB2.0不需要，原理是啥？

高速信号SATA、PCIE、USB3.0等差分线串接0.1uf电容问题

usb数据线上的共模电感能否省略

USB2.0差分线走线要求

USB走线要求

USB2.0,USB3.0中共模电感，TVS管的作用是什么？

USB3.0只在SSTX信号放置AC耦合电容的疑惑与猜测

USB2.0接口的EMC设计方案

8 调试问题

XX项目第一次调试的时候发现usb3.0接口一直不通，用了一根Micro-B转USB-A的线(网上卖的比较多，假货也多)，当时这根线有问题导致一直没调通。
可以试下USB-A转Micro-B转接头。这种接头当然也是可以插到Micro-AB的插座的。

XXX项目第一版底板调试Hub的问题点，用的Hub是Mircrochip的USB7002T-I/KDXVAO：
SOC目前可以通过两路USB总线访问到如下6个PID信息，因为是2路Hub，所以每个Hub各3个，7040(Feature Controller)，4002(USB2.0)，7002(USB3.1)，尝试硬件上断开其中一路Hub的USB2.0接口(R478 & R479),则少了两个ID，7040，4002，只剩4个PID，再断开USB3.0接口(C274&C275),再少一个ID7002，只剩其中一个Hub的3个PID，再把2.0接口接回去，则7040，4002这两个PID又回来了，此时5个PID。

7040其实是Hub Feature Controller的ID，也是通过2.0端口访问的。

一开始通过hub只能访问到4g模组的ID，5G的无法访问到，后来发现是因为USB_VBUS作为电源输入信号，也是USB检测信号，必须常供电，而我们原理图这里是通过USB2.0接口供电的，所以只有当烧录固件的时候是正常的，给5V飞线供电之后，5G模组就可以正常访问到了。再确认一下这里访问到5G模组到底是通过2.0还是3.0接口，把这里的电阻R506，R507拿掉试下还能不能正常访问到？确认是通过2.0接口访问的。所以模组跟Hub之间的3.0接口应该还有问题。
这下面ID为1d6b访问到的设备就是SOC内部的usb控制器，总共6个，另外的0424/0425访问到的就是Hub内部的设备，总共6个，2c7c访问到的就是4路4G/5G模块，共4个。总共6+6+4=16个。

这就说明：
1.Hub不需要刷写CFG配置就可以用的。
2.5G模组设备ID的访问也是通过USB2.0接口读取到的。
3.如果5G模组的2.0接口同时接了Hub跟USB2.0烧录口，此时PC接上USB2.0烧录口是无法识别到的。所以烧录固件的时候必须断开跟Hub的2.0接口电阻。那就意味着2.0接口要么用于烧录固件，要么用于跟Hub通信读取设备ID。考虑加个switch吧。

现在剩下的问题就是Hub跟模组的3.0接口一直没通，而且hub的电路应该哪里还有问题，导致每个板上表现出来的结果都不太一致。最后查找下来改了两个有问题的地方：
这里分压应该是2.7V，49.9/(49.9+43)*5=2.7V, 所以3.3改为2.7V。

这里的PF17就是配置为PRT_CTL1，因为我这里是用的hub的port1的3.0接口跟模组通信，所以这里要给PRT_CTL1一个拉高的使能。
第二版把R734贴上之后，USB3.0接口就调通了。

9 参考链接

USB 3.0百度百科

（6.1）各种USB接口简介

关于USB接口的一切！都在这了！

USB入门

USB协议基本知识

USB协议简介

USB组织

USB 3.2和USB 4来袭！USB新标准一览

USB版本最新命名规范：USB 3.0、USB 3.1统一被划入USB 3.2的序列

USB接口的各种类型

干货|你知道常用的USB接口种类吗？

USB3.0差分信号极性问题

USB3.0接口定义浅析

USB走线布局经验，一次惨痛的教训

不断升级的USB-C接口：你对它的保护升级了吗?

差分布线 USB3.0布线设计

USB2.0硬件设计概要

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2.7通用串行总线 USB Universal Serial Bus

2.7通用串行总线 USB Universal Serial Bus

1 USB是什么？

2 USB接口特点？

3 USB接口定义

3.1 USB2.0接口定义

3.2 USB3.0接口定义

3.2.1 USB3.0 Standard-A

3.2.2 USB3.0 Standard-B

3.2.3 USB3.0 Powered-B

3.2.4 USB3.0 Micro-B

3.2.5 USB3.0 Micro-AB/-A

4 其他

4.1关于OTG

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