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基于DWC2的USB驅(qū)動開發(fā)-USB連接詳解 (qq.com)

一.前言

之前一直在閱讀手冊，規(guī)格書，練習招式，學習心法，從這一篇開始我們就要真刀實槍的干了，當然不是一味蠻干。驅(qū)動編寫，調(diào)試，實踐的過程會結(jié)合閱讀規(guī)格書，手冊，理論結(jié)合實踐，招式和心法要同步進行。

二.USB連接需要幾步?

進行USB連接需要幾步？我們參考把大象裝進冰箱需要幾步：第一步打開冰箱門，第二步把大象裝入冰箱，第三步關(guān)閉冰箱門，完成。USB連接同樣的簡單，第一步插上開發(fā)板USB接口到電腦，第二步電腦識別到USB設(shè)備，第三步恭喜你獲得一個黃色告警對話框！完美完成！也許很不幸，你沒有獲得黃色告警對話框，那么就是失敗了，后面我們會詳細介紹怎么去分析調(diào)試。

三.USB連接原理

前面我們已經(jīng)完成了USB連接的操作，實踐了師傅教的第一招黑虎掏心，but what？我干了什么？前面我們說過需要理論結(jié)合實踐，招式結(jié)合心法，招式已經(jīng)嘗試了，但是到底是什么原理呢？到底是怎么做到的呢？那么就要從心法去探究，USB江湖的最基礎(chǔ)的心法，就是USB2.0的規(guī)格書。當然招式也有招式的拳譜劍譜，我們這里就對應(yīng)的使用的USB控制器IP的規(guī)格書(這里是新思的DDC2)和PHY的規(guī)格書(microChip的USB334x)。

我們打開USB2.0規(guī)格書，翻到141頁看到如下圖，主機(或HUB)端D+和D-均由Rpd=15KΩ的電阻下拉,未接入設(shè)備時此時D+和D-都是0V。設(shè)備(或者下級HUB)端通過D+或D-上拉Rpu=1.5KΩ來區(qū)分是全速還是低速設(shè)備，全速設(shè)備D+上拉,低速設(shè)備D-上拉。設(shè)備端的上拉電阻和主機端下拉電阻分壓得到和未接設(shè)備時不一樣的電平，主機檢測該電平即可知道有設(shè)備插入，原理就是這么簡單，牛逼的武功也往往是很簡單，比如六脈神劍也就那么一彈手指。

為什么是上拉1.5K呢，因為上拉電阻要保證分壓值不小于VIH（min），因為只有滿足該條件才能被識別為高，為什么這個電壓能識別為高呢，那就是硬件電氣特性決定的了，我喜歡死纏爛打的追問的伙伴，可以繼續(xù)深挖到收發(fā)器，晶體管，半導體.... ,如果能追到這一層的那么肯定是孤獨求敗級別的高手了，膜拜之。VIH在規(guī)格書中的要求如下至少要為2V(可以規(guī)格書中搜索找到)

除了上述要求，上拉電阻還要保證能夠在2.5μs的最小復位時間內(nèi)將D+或D-從0V上拉至VIH（min）,因為在復位結(jié)束時要進行總線狀態(tài)評估。

2.5uS的要求在如下表格中說明,即復位最短時間是2.5uS.

綜上要求，具有可拆卸電纜的設(shè)備使用1.5 k? ±5%電阻器連接到3.0 V和3.6 V之間的電壓源（VTERM），以滿足這些要求。帶有固定電纜的設(shè)備可以使用替代端接方式。但是，任何終端的Thevenin(戴維寧)電阻必須不小于900?.注：終端的Thevenin(戴維寧)電阻不包括主機/集線器上的15 k±5%的電阻。

上拉電阻器上的電壓源必須來源于USB電纜上提供的電源或由USB電纜上的電源控制，以便在移除VBUS時，上拉電阻器不會在其連接的數(shù)據(jù)線上提供電流。即VBUS斷開時上拉也應(yīng)該斷開。

上述表中描述的是針對低速和高速設(shè)備連接檢測，高速呢，高速設(shè)備的連接檢測和全速一樣，只是后面速度枚舉有不同，這個先按下不表，后面再講解。

四.USB連接驅(qū)動

驅(qū)動編寫我們參考控制器IP的手冊，找到如下寄存器

手冊P529的5.4.48 DCTL，Offset: 0x804，bit1

可以看到默認值是1，即默認是斷開上拉電阻的，注意這里的邏輯，這個bit表示斷開連接。

軟件寫0上拉電阻，這樣在DP或者DM上上拉電阻(根據(jù)速度而定，如何設(shè)置速度枚舉速度后面再講)，這樣主機就可以檢測到了。

注意軟件操作這個bit時不要過于頻繁，一般留個10mS以上充足的間隔時間，大于上述手冊中的描述時間。

注意該位不受控制器軟件復位影響。

我們的驅(qū)動代碼如下，寄存器的操作封裝，參考之前的文章，為什么用宏不用結(jié)構(gòu)體，也有專門的文章講解，可以去瞅瞅。

static void usb_dev_crtl_sft_discon(uint8_t dis)
{
  if (dis) {
    REG_OTG_DCTL |= DCTL_SOFT_DISCONN;
  } else {
    REG_OTG_DCTL &= ~(DCTL_SOFT_DISCONN);
  }
}

我們之前一直強調(diào)，要了解根本原理，不管學習招式還是學習心法，一定要追其核心根本原理。那么這個bit寫0就能上拉，到底是怎么實現(xiàn)的呢，

我們這里操作的是控制器即LINK，但是實際工作是由PHY去完成的，所以寫了這個bit之后，

LINK會通過PHY和LINK之間的UTMI或者ULPI接口告訴PHY，最終由PHY去完成這個上拉工作。于是乎我們?nèi)シ哖HY的手冊這里是USB334x，看到如下圖，正是PHY將如下上拉電阻拉高來實現(xiàn)連接，至此我們已經(jīng)了解了整個過程。

從ULPI的規(guī)格書中還可以看到實際是通過PHY對應(yīng)的寄存器相關(guān)位配置為不同的模式來控制的

而UTMI接口中直接對應(yīng)的是信號線

這里順便提一下，ULPI對UTMI引腳的縮減，實際就是通過將一些信號線直接控制轉(zhuǎn)為寄存器控制來達到的。

但是有好問者，會問那么LINK是怎么告訴PHY要去上拉電阻的呢，問得很好，高手總是從刨根問底開始的。這個就要了解UTMI和ULPI協(xié)議了，可以參考本系列文章，講解了ULPI協(xié)議，甚至講解了如何使用邏輯分析儀抓包ULPI，那么你就可以抓到ULPI接口上具體的數(shù)據(jù)，來調(diào)試分析了，比如最終沒能上拉，通過ULPI抓包可以確定是沒有發(fā)送到PHY還是PHY沒有執(zhí)行，進一步縮小范圍。

https://mp.weixin.qq.com/s/e4MCpASUXW4oKzfYOdMRwg

https://mp.weixin.qq.com/s/7oTIgxvrui_ZdjCktFo87g

還有更細致的會問，那么這個上拉電阻是所有芯片都會有嗎，答案是否，有些芯片是沒有的，比如一些STM32的MCU，這個時候需要外部提供上拉電路，使用IO控制。如下(網(wǎng)上隨便找的一張圖)，USB_E來控制上拉。

五.調(diào)試

上面我們?nèi)绻芸吹诫娔X彈出黃色告警的對話框，恭喜你，你已經(jīng)練就了第一招黑虎掏心。如果不幸沒有彈出呢，那么我們就需要進行調(diào)試。那么就要派出示波器出來一展身手了。

我們直接使用示波器監(jiān)控DP和DM的電平，查看初始是否都為0，然后connect后DP，DM是否對應(yīng)的拉高，拉高的值是否符合要求達到了VIH（min）。如果沒有拉高則從以下方面去分析:

1.硬件檢查，使用萬用表測量DP DM到芯片的相應(yīng)引腳是否聯(lián)通，測試DP，DM是否和地或者VCC短路。如果外置PHY則檢查PHY是否工作，通過時鐘等關(guān)鍵引腳判斷。

2.將DP DM配置為普通IO，翻轉(zhuǎn)IO使用示波器查看硬件連通性。強調(diào)下該方式是嵌入式一種常用的測試方法，用于確認IO到硬件上是否正常聯(lián)通，有時還可以使用IO做時序分析測試，即在一定的事件發(fā)生時翻轉(zhuǎn)IO，用示波器測量，這比使用軟件定時器和串口打印更精確。多個通道還可以可視化展現(xiàn)相位關(guān)系，簡單的一招確是調(diào)試的大招。

3.檢查DP DM是否按照芯片手冊配置為了對應(yīng)的功能，包括輸入輸出模式，功能選擇等，有些芯片可能需要重映射。

4.檢查USB相關(guān)的初始化是否正確，包括時鐘使能，IO模塊使能，外設(shè)模塊使能，時鐘配置(比如48M時鐘源等)，檢查模塊復位，模塊寄存器保護等。回讀寄存器確認相應(yīng)的寄存器是否確實配置成功，回讀總是必要的，可靠性編程中需要考慮，寫入不一定成功的，芯片也是有出錯概率的。

我這里針對DWC的IP，測試代碼如下，10mS進行一次斷開和連接使用示波器查看

 while(1)
  {
    usb_dev_crtl_sft_discon(0);
    iot_timer_delay_ms(10);
    usb_dev_crtl_sft_discon(1);
    iot_timer_delay_ms(10);
  }

我這里是高速模式，示波器測試DP波形(黃色)如下:

六.總結(jié)

以上可以看出USB連接原理很簡單，就是一個上拉電阻，就好比將大象裝進冰箱一樣簡單。招式雖簡單，但是其背后的心法，原理確很重要，細節(jié)也很重要。這就是為什么喬峰使出黑虎掏心如此威力巨大，而一些綠林大漢使出來確平平無奇，這是心法和招式理解是否達到了爐火純晴的地步的區(qū)別。USB連接也是如此，只是知道上拉，還是知道LINK的寄存器如何配置，還是知道LINK和PHY如何通訊告訴PHY去上拉，甚至知道如何去抓包確認，還是知道上拉電阻為什么是1.5K有什么要滿足的條件，還是知道芯片不帶上拉如何去外置上拉等等，都是對應(yīng)不同的級別。看來一招USB連接，一招黑虎掏心也可以分為18級，只有練到最高級爐火純青才能所向披靡，遇BUG解BUG，遇fault殺fault。

審核編輯 黃宇