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基于DWC2的USB驅動開發-高速設備速度握手詳解 (qq.com)

前言

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

高速握手過程

USB連接檢測過程見如下

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

USB復位過程見

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

對于低速設備上拉DM，主機檢測到該上拉，然后發送復位就完了

對于全速和高速設備上拉DP，主機檢測到該上拉，然后發送復位，接下來是速度握手過程。

老規矩我們從規格書入手，USB2.0規格書P154中《High-speed Detection Handshake (not performed if low-speed device detected by hub):》有描述整個過程，但是這都是文字描述，不是很直觀，所以我們理論結合實踐，直接根據真實的波形和規格書的描述對照進行分析。

在速度握手中，主機（集線器）和設備都需要檢測擁有最小持續時間的Chirp J和K, 涉及到兩個關鍵信號Chirp J和K(參見規格書7.1 Signaling或者本系列文章)。

整個過程如下

(1)設備使能DP上拉1.5K，如下圖的(1)處,此時DP大概3V左右

(2)主機檢測到DP拉高，檢測到設備連接，發送SE0進行復位

如上圖的(2)，因為時間很短，下面是細節圖，可以看到下圖SE0狀態只維持了8uS,后面就是藍色線(DM)高于黃色線即Chirp K信號，對應上圖的(3)部分。

回顧一下復位分析那一篇文章，發送放復位會持續50mS，但是接收方在最低2.5uS就可以識別到復位，這里實測是8uS設備就識別到復位然后開始發送Chirp K信號了。

保持D+上的1.5K上拉電阻使能，設備發送Chirp K信號是通過，禁用高速終端電阻，并將高速信號電流驅動到D-線完成的。

這里有點不理解禁用了終端電阻，電流驅動到D-線,電流環路是什么?

并且如下可以看到DM有1.2V左右，這個電壓是如何來的?

該Chirp K信號必須持續不少于1.0 ms（TUCH），并且在高速復位時間T0點(即主機發出的SE0開始)后不超過7.0 ms（TUCHEND）結束。

Chirp K持續時間如下所示，這里是2mS，滿足上述要求

參數TUCH和TUCHEND的值在手冊中的描述如下

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

(3)主機(集線器)必須在看到chirp K信號持續2.5μs（TFILT）時間以上，后認為檢測到設備發出的ChirpK,這里的2.5uS的要是實際是相當于濾波避免干擾。如果主機(集線器)未檢測到設備發出的chirp K信號，則必須繼續發送SE0，直到復位結束(持續50mS)。

TFILT參數見規格書如下處說明

在Chirp K狀態結束后不超過100μs（TWTDCH），主機（集線器）必須開始發送Chirp K和Chirp J的交替序列，J和K之間不得存在空閑狀態。此序列必須持續到復位結束前不超過500μs且不少于100μs的時間（TDCHSE0）（這樣的目的是保證總線保持活動狀態，防止設備進入高速掛起狀態。）。每個單獨的Chirp K和Chirp J必須持續不少于40μs且不超過60μs（TDCHBIT）。

TWTDCH，TDCHSE0，TDCHBIT的參數上圖。

如下圖(4)處

細節圖如下

如下可以看到要求Chirp K結束100μs（TWTDCH）以內開始后面的KJ序列，實際10uS左右就開始了，滿足要求。

如下圖所示，主機發送的KJ序列持續了約50mS，即約復位的時間，實際要求是發送到復位結束前的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節了。

在K-J序列之后，主機(集線器)發送SE0，直到復位結束，即上面說的KJ序列之后100~500uS復位結束。復位結束時，主機(集線器)必須轉換到高速啟用狀態，而不會在數據線上引起任何轉換。

(4)設備這端發送完Chirp K之后監控主機發送的K-J序列。設備端需要至少看到3對K-J序列，即序列Chirp K-J-K-J-K-J才認為是有效的KJ序列。每個單獨的Chirp K和Chirp J必須檢測不少于2.5μs（TFILT）。

我們這里看到有持續50uS滿足要求

如果設備檢測到序列Chirp K-J-K-J-K-J，則檢測后不超過500μs（TWTHS），設備需要斷開D+上拉電阻器，啟用高速終端，并進入高速默認狀態。

如下圖所示，這里剛好約500uS左右進行了上述切換，上述切換也導致了DP和DM的電平的變化，原來KJ序列大概是0.8V左右，即主機發送KJ是通過電流17.78mA驅動45歐終端電阻實現的，17.78mA*45即0.8V。而我們又看到后面箭頭處的電壓下降，是因為正好是上述的設備切換到了高速模式，使能了45Ω終端電阻，所以設備的終端電阻和主機的終端電阻并聯只有一般電阻，所以電壓就只有一般0.4V左右了。

如果設備在完成其自己的Chirp K之后，在不小于1.0ms且不大于2.5ms（TWTFS）的時間內未檢測到有效KJ序列，則設備需要恢復到全速默認狀態并等待復位結束。

以上就是整個速度握手的過程，比較細節，我們再做一些總結

關于整體電壓的變化，如下圖，有4個等級，圖中(1)和(2)之間還有個復位的SE0電平這里就略掉了。

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

(2)設備發送Chirp K，DP 1.5K上拉還在，設備終端電阻禁用，實測D-上的電壓是大概1.2V，這里的電流路徑是什么? 待確定。

(3)主機發送KJ序列,主機通過驅動17.78mA電流到對應45歐終端電阻,發送KJ，所以DP DM是0.8V

(4)設備也進入了高速模式，1.5k上拉斷開，設備使能了45歐終端電阻，和主機的終端電阻并聯，主機繼續在發KJ序列，此時主機的17.78mA電流驅動只能產生0.4V的電壓。

驅動編寫

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

所以我們需要在初始化時配置該位，告訴控制器后面以該速度去進行速度握手。那么握手結束之后實際是什么速度呢，手冊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產生中斷，

手冊P369寄存器5.4.7 GINTMSK的位13 EnumDoneMsk設置為1使能，速度握手完成中斷。

相應的手冊P357寄存器5.4.6 GINTSTS的位13EnumDone為中斷標志，寫1清除標志

所以驅動的基本過程是

1.初始化配置DevSpd設置期望的工作速度

2.配置EnumDoneMsk使能中斷，清除標志EnumDone

3.等待中斷，查詢實際握手的速度EnumSpd，根據該速度再次重新配置DevSpd設置工作過速度。并清除標志EnumDone。

以上就完成了整個速度握手過程。

實際以上邏輯如果是非標主機，可能會存在BUG，后面會有一個實際案例進行分享，先賣個關子以后再單獨寫一篇文章分享該案例。

如下圖兩個箭頭處分別對應的是復位中斷，和速度握手完成中斷

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

而我們在usb_dev_crtl_sft_discon(0);使能DP上拉時也加一個打印，即上面connect后打印的時間戳和Reset_Intr之間是50mS，如下圖

總結

以上介紹了整個速度握手過程，以及設備驅動的編寫。重點是結合手冊的描述對照波形去看和分析，要了解沒以一個實踐段，每一個信號，每一個電平的含義和原理，知道那個信號是誰驅動的，為什么是這個波形，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，因為不同的設備可能略有差異，如何去觸發，如何去抓波形，也會加深自己的理解。