2023-04-07

探索USB介面的世界-從USB Host到USB Device

USB介面從1996年第一版以來，一直是數位資料傳輸介面的主要介面，電腦與外部裝置的連接，就變的容易許多，也因為USB介面的使用，IPC/Note book/ Embedded systems，在體積上，相對的變的輕巧很多，逐漸延伸出許多外接式裝置的商品。直至今日USB4 2.0新規格的誕生,提供更大的頻寬到80Gbps，可傳輸影像資料，應用產品更寬廣。

而在第一版時，就已定義了USB Host，USB Hub與USB Device，這三種主要裝置，分別應用在不同的市場，例如：USB Host產品-USB Host controller、USB HUB相關應用的產品Docking 、Dongle，USB Device可延伸出不同的介面轉換,應用更多元。 (請參考圖一)

另外USB Host，USB Hub與USB Device這三種主要裝置，本文將會針對USB Host，USB Hub架構Device介面轉換和USB連接器做深入淺出的介紹。

圖一

USB介面的演進介紹

USB制定當時資訊如下：

First Release : 1996 May
Standard : USB standard
Designer : IBM, Intel, Microsoft, NEC, Compaq, DEC, Nortel
Designed : January 1996
Superseded : Serial Port, parallel port, game port, Apple Desktop Bus, PS/2 port and FireWire(IEEE 1394)

USB全名為Universal Serial Bus，主要由IBM, Intel, Microsoft, NEC, Compaq, DEC, Norte 一同設計，於1996年一月release，當時預計支援Serial Port, parallel port….一直到FireWire (IEEE1394) 等裝置.隨著時間演進,USB的版本與速度依提升，如下列圖所示,目前正在開發80G版本。

其版本與速度(bps)發展順序為：

USB 1.1(12M bps) >> USB 2.0(480M bps) >> USB 3.2 Gen1(5G bps) >> USB 3.2 Gen2x1(10G bps) >> USB 3.2 Gen2x2(20G bps) >> USB 4(40G/80G bps)

USB Host技術探討及市場應用

現今的USB Host包含USB 2.0/3.2/4.0,功能方塊如下，先從USB 4.0看起，Block Diagram參考圖二：

圖二

如圖二所示，USB 4 Host中，內部裝置包含了Router與USB/PCIe adaptor，TMU，IO port, 同時高速(SS Bus)與低速(USB 2.0)是分開的Port，且支援PCIe與DP. USB4的支援介面,與傳送模式在Host/Hub/Device中如下表(一)：

表一

由上表可見，USB4重點在擴充了PCIe, DisplayPort Alternate Mode, Thunderbolt Alternate Mode介面，其USB傳輸速度上看40Gbps，同時向下相容.再來是USB3.2，其Block diagram，參考圖三

圖三

如上圖所示，USB從3.2版本開始導入Type-C連接器，Type-C連接器包含USB 2.0與3.2傳送介面，以及flip-flop功能，也就是俗稱的”正反插”功能。USB 3.2的Host規範為xHCI (eXtensible Host Controller Interface)，中文稱為：「可擴展主機控制器接口」

以下是xHCI架構的主要目標：

高效運行，閒置耗電與性能優於傳統USB主機控制器架構。
與現有USB軟體模型完全一致的設備級編程模型。
將提供給軟體的主機控制器接口與底層USB協議解耦。
最小化主機內存訪問，完全消除USB設備空閒時的主機內存訪問。
消除暫存器寫入並最小化正常數據傳輸時的暫存器讀取。
消除「同伴控制器」模式。
在系統資源受限情況下啟用硬體「故障轉移」模式，因此設備仍然可以訪問，但可能有不利的功耗/性能。
提供不同市場不同硬體功能的能力，例如針對特定市場的主機控制器功率、性能和成本折衷。
定義一個可擴展架構，為新的USB規範和技術提供一條簡單的路徑，例如更高帶寬接口、光傳輸介質等，使其不需要再定義一個USB主機控制器接口。

補充：USB 3.2 Layers 參考圖四

圖四

如圖四，各Layer主要功能如下

Protocol Layers :

定義封包種類,格式 (Type, Format)
定義對主機和設備發送的數據包預期響應 (Expected, Responses)
定義四種USB傳送模式(Control,Bulk,Isochornous,Interrupt)
支援Bulk模式的串流資訊

Link Layers :

封包訊框(Packet Farming)
定義連結命令與用法(Link command definition and usage)
鏈路初始化與流量控制(Link initialization and flow control)
鏈路電源管理(Link power management)
定義鏈接錯誤規則與錯誤修復(Link error rules/recovery)
重新啟動功能(Resets)
定義LTSSM規範（Link Training and Status State Machine）

Physical Layers :

實體連結初始化與立起溝通橋梁(Link Initialization & Training)
產生時脈(Clock & Jitter)/產生實體訊號(Signaling)
定義傳送訊號與接收訊號電器特性(Transmitter & Receiver Spec.)

最後是USB 2.0,此版本為所有USB Host的基礎, block diagram參考圖五：

如圖五所示，USB 2.0 Layer分為Function Layer, USB device Layer, USB Bus Interface Layer. 彼此有Actual communications flow與Logica communication flow連結USB 2.0 Host Controller有以下三種以及其對應的USB版本: OHCI (Open Host Controller Interface) USB 1.1, UHCI (Universal Host Controller Interface) USB 1.x, EHCI (Enhanced Host Controller Interface) USB 2.0, USB 2.0包含三種Performance模式，Low-Speed, Full-Speed, High-Speed.相關應用與特性資訊如圖六。

圖五

圖六

USB Host市場應用

USB Host的實際應用為PCIe to USB Host,舉例目前市場上常用的PCIe to USB Host solutions如下，常用的包含2 ports USB down stream 以及4 ports USB down stream,其方塊圖參考圖七、圖八：

圖七 - USB ports: 2 ports (SS/HS/FS/LS)

圖八 - USB ports: 4 ports (SS/HS/FS/LS)

USB Hub技術探討及市場應用

連接行為(Connectivity behavior)
電源管理(Power management)
設備連接/斷開檢測(Device connect/disconnect detection)
總線故障檢測和恢復(Bus fault detection and recovery)
高速、全速和低速設備支持(High-, full-, and low-speed device support)

圖九

如圖九，USB Hub由三個組件組成：中繼器 (Hub Repeater)、控制器 (Hub Controller)和傳送交換器 (Transaction Translator)所組成。中繼器負責連接設置和斷開，它還支持異常處理，例如：總線故障檢測和恢復以及連接或斷開檢測。

控制器提供主機到集線器通信的機制集線器特定的狀態和控制命令，允許主機配置集線器,並監視和控制其各個面向下游的端口。

傳送交換器可將高速介面轉換為與全速或低速介面，讓不同速度USB裝置以最低速度介面互相溝通補充USB4 HUB/Device方塊圖，如圖十。

圖十

控制器提供主機到集線器通信的機制集線器特定的狀態和控制命令，允許主機配置集線器,並監視和控制其各個面向下游的端口。

傳送交換器可將高速介面轉換為與全速或低速介面，讓不同速度USB裝置以最低速度介面互相溝通補充USB4 HUB/Device方塊圖，如圖十。

如圖十所示,基本上與USB 4 Host類似，Hub部分除了USB功能，增加外接PCIe Switch與Enhanced SuperSpeed Hub, USB 2.0Hub等裝置.Device部分可接PCIe,DP,USB 2.0裝置。

USB Hub市場應用

USB Hub市場應用主要為擴充USB port的USB docking，由於USB主機端越來越輕薄,可透過USB docking擴充USB port, 與周邊各種USB裝置連接,以圖十一舉例。

圖十一

USB Device技術探討及市場應用

USB自1996年以來，就針對當時眾多通訊界面，各種裝置建立支援與其Class,主要目的是統一通訊界面，讓PC端只需留下一個USB端口，就可支援當下眾多的人機介面，輸入輸出裝置等眾多裝置中，除了常用的Keyboard/Mouse(HID), Mass Storage(Flash/SD card), WebCAM,亦包含Audio, Printer, HID, Communications & CDC control等等裝置。圖十二為USB Device Class對應表格。

圖十二

本文只介紹USB to serial介面轉換，圖十三為USB to Serial block diagram範例

圖十三

說明如下：

USB Transceiver : USB Transceiver提供 USB 1.1 / USB 2.0 full-speed實體port。，而差分輸入接收器 (differential input receiver) 和兩個單端輸入接收器 (single ended input receivers) 分別提供 USB data input、single-end 0 (SE0) 和 USB reset條件。此功能還包括 USB 的內部串聯終端電阻和 USBDP 上的 1.5kΩ 上拉電阻。

USB DPLL : USB DPLL 單元會鎖定Host傳來的 NRZI USB 數據，並為串行接口引擎 (SIE) 模塊產生重製過的clock和數據信號。

Serial Interface Engine (SIE) : 串行接口引擎 (SIE) 塊執行 USB data的並行 (parallel) 到串行 (serial) 和串行 (serial) 到並行 (parallel) 的轉換。根據 USB 2.0 規範，它執行位填充/反填充和 CRC5/CRC16 生成。它還檢查 USB data stream上的 CRC封包。

USB Protocol Engine : USB protocol Engine管理來自設備 USB 控制端點 (end point) 的數據流 (data stream)。它根據 USB 2.0 規範第 9 章管理 USB Host Controller生成的低層 USB 協議請求，以及控制 UART 功能參數的命令。

UART FIFO Controller : UART FIFO 控制器管理 FIFO RX 和 TX 緩衝區與 UART 發送和接收寄存器之間的數據傳輸。

UART Controller with Programmable Signal Inversion and High Drive :

UART 控制器與 UART FIFO 控制器一起管理 FIFO RX 和 FIFO TX 緩衝區以及 UART 發送和接收寄存器之間的數據傳輸。它對 RS232（或 RS422 或 RS485）接口上的數據執行非同步 7 位或 8 位並行到串行和串行到並行的轉換。

透過以上的功能，再配合USB Host端安裝的driver與串列傳輸軟體,便可將USB封包轉換為串列資訊.USB device不只有USB to Serial port, 還有USB to I2C/SPI/FIFO等介面轉換，圖十四為說明範例：

圖十四

方塊功能說明如下：

UTMI PHY :

The Universal Transceiver Macrocell Interfac (UTMI) 唯一實體接口單元。該塊處理 USB TX/RX 數據的全速/高速 SERDES（序列化 - 反序列化）功能。它還為晶片的其餘部分提供時鐘。 12 MHz Crystal連接到 OSCI 和 OSCO ，或者 12 MHz OSC連接到 OSCI，OSCO 不接。 PCB 上的 REF 和 GND 之間應連接一個 12K 歐姆的電阻。

USB Protocol Engine and FIFO control : 引擎控制和管理 UTMI PHY 和晶片的 FIFO 之間的接口。它還處理電源管理和 USB 協議規範。

Multi-Purpose UART/FIFO Controllers : 此為一個獨立的 UART/FIFO 控制器。此控制器可以控制UART data、245 FIFO data、快速串行（光電隔離）或 Bit-Bang 模式，可通過 SETUP（FT_SetBitMode）指令選擇。每個多用途 UART/FIFO 控制器還包含一個多協議同步串行引擎(MPSSE)。使用此引擎，可以在軟件命令下配置多用途 UART/FIFO 控制器，