📚 课程目录第1章 USB体系概述

1. USB体系概述

1.1 USB标准演进与物理层差异

USB（Universal Serial Bus）自1996年问世以来，经历了从低速到超高速、从单一功能到多功能复用的演进。物理层（PHY）是USB体系中直接处理电气信号、编码/解码、时钟恢复和线路状态的部分，不同USB标准在物理层上有本质差异。

  核心要点：USB 2.0与USB 3.x的物理层完全不兼容——USB 2.0使用半双工差分信号，USB 3.x使用全双工差分对，且增加了独立的发送和接收通道。

1.1.1 USB 2.0 物理层特性

信号线：D+ / D- 一对差分数据线
传输模式：半双工，同一时刻只能发送或接收
速度等级：Low Speed (1.5 Mbps)、Full Speed (12 Mbps)、High Speed (480 Mbps)
编码方式：NRZI（Non-Return-to-Zero Inverted）+ 位填充（Bit Stuffing）
终端匹配：通过D+/D-上的上拉/下拉电阻识别设备速度
供电：VBUS (4.75V–5.25V)，最大500mA

1.1.2 USB 3.0 / 3.1 物理层特性

信号线：增加 SSTX+/- 和 SSRX+/- 两对差分线，保留D+/D-用于兼容
传输模式：全双工，发送和接收可同时进行
速度等级：SuperSpeed (5 Gbps)、SuperSpeed+ (10 Gbps)
编码方式：8b/10b（USB 3.0）→ 128b/132b（USB 3.1 Gen2）
终端匹配：独立阻抗匹配，不再依赖上拉电阻识别速度
供电：VBUS，最大900mA（USB 3.0）

1.1.3 USB Type-C 物理层新特性

Type-C连接器并非新的USB标准，而是一种全新的物理接口规范，它重新定义了引脚布局和信号路由方式。

特性	传统Type-A/B	Type-C
引脚数量	4 (USB 2.0) / 9 (USB 3.0)	24
正反插	不支持	支持（CC1/CC2检测）
供电能力	最大5V/2A	最大20V/5A（USB PD）
备用模式	不支持	支持DisplayPort/Thunderbolt
信号复用	固定分配	通过CC通道协商

实战提示：在设备树中配置Type-C PHY时，必须描述CC逻辑的GPIO连接和PD控制器，否则系统无法正确识别插入方向和供电能力。

1.2 USB主机控制器与设备控制器

在嵌入式系统中，USB控制器分为主机侧（Host Controller）和设备侧（Device Controller/Peripheral Controller）两大类。两者在硬件架构、寄存器接口和驱动模型上存在显著差异。

1.2.1 主机控制器（Host Controller）

EHCI：Enhanced Host Controller Interface，支持USB 2.0 High Speed
OHCI/UHCI：支持USB 1.x Full/Low Speed，OHCI更常见于嵌入式
xHCI：eXtensible Host Controller Interface，支持USB 3.x/2.0/1.x全兼容
职责：管理总线调度、处理传输描述符、处理中断、控制根集线器

1.2.2 设备控制器（Device Controller）

常见IP：Synopsys DWC2（USB 2.0 OTG）、DWC3（USB 3.0/3.1 DRD）
职责：响应主机请求、管理端点（Endpoint）、处理控制/批量/中断/等时传输
寄存器模型：通常包含端点寄存器、FIFO控制、DMA引擎、中断状态

对比维度	主机控制器	设备控制器
总线角色	发起传输、调度事务	响应传输、提供端点
驱动模型	usb_hcd → usb_bus_type	usb_gadget → usb_udc
中断触发	根集线器状态变化、传输完成	端点事件、复位、挂起
设备树兼容字符串	“generic-ehci”, “generic-ohci”	“snps,dwc2”, “snps,dwc3”
典型应用	嵌入式主板、开发板	手机、平板、IoT设备

常见陷阱：在设备树中同时描述主机和设备功能时，必须正确设置dr_mode属性。如果dr_mode = "host"但PHY配置为设备模式，控制器将无法正确初始化。

1.3 OTG与DRD模式

OTG（On-The-Go）和DRD（Dual-Role Device）是嵌入式USB设备支持主机/设备角色切换的两种技术方案。理解它们的差异对于正确配置设备树和PHY至关重要。

1.3.1 OTG（USB 2.0时代）

硬件特征：增加ID引脚（Mini/Micro-AB连接器），通过ID电平判断角色
协议特征：支持SRP（Session Request Protocol）和HNP（Host Negotiation Protocol）
典型IP：Synopsys DWC2 OTG
限制：角色切换需要断开USB总线重新枚举，切换延迟较大

1.3.2 DRD（USB 3.0+时代）

硬件特征：基于Type-C CC逻辑，通过CC引脚协商角色
协议特征：支持Role Swap，无需断开总线即可切换
典型IP：Synopsys DWC3 DRD
优势：切换速度快，支持USB 3.x超高速，兼容Type-C

对比维度	OTG	DRD
适用标准	USB 2.0	USB 3.0 / 3.1 / Type-C
角色检测	ID引脚电平	CC引脚协商
切换协议	HNP / SRP	Role Swap / Try.SRC / Try.SNK
切换时是否断开	是（需重新枚举）	否（无缝切换）
设备树dr_mode	"otg"	"peripheral" / "host" / "otg"
PHY需求	单PHY（UTMI/ULPI）	双PHY或组合PHY

实战提示：在设备树中配置DWC3 DRD时，通常需要同时绑定usb2-phy和usb3-phy两个PHY节点。如果只绑定一个PHY，控制器将降级到对应速度模式。

1.4 设备树中USB控制器与PHY的绑定模型

在嵌入式Linux中，设备树（Device Tree）是描述硬件拓扑和资源配置的标准方式。USB控制器和PHY的绑定遵循固定的节点结构和属性约定。

1.4.1 基本绑定结构

/* USB 2.0 OTG控制器（DWC2）设备树节点示例 */
usb_otg: usb@49000000 {
    compatible = "snps,dwc2";
    reg = <0x49000000 0x10000>;
    interrupts = <GIC_SPI 71 IRQ_TYPE_LEVEL_HIGH>;
    clocks = <&clk_usb_otg>;
    clock-names = "otg";
    resets = <&rst USB_OTG_RESET>;
    phys = <&usb2_phy>;
    phy-names = "usb2-phy";
    dr_mode = "otg";
    g-np-tx-fifo-size = <512>;
    g-rx-fifo-size = <1024>;
    status = "okay";
};

/* USB PHY节点示例 */
usb2_phy: phy@4a000000 {
    compatible = "ti,am335x-usb-phy";
    reg = <0x4a000000 0x1000>;
    clocks = <&clk_usb_phy>;
    clock-names = "phy";
    #phy-cells = <0>;
    status = "okay";
};

1.4.2 关键属性说明

属性名	含义	可选值
compatible	驱动匹配字符串	"snps,dwc2", "snps,dwc3", "generic-ehci"
reg	寄存器基地址和范围	物理地址 + 长度
interrupts	中断号及触发类型	GIC_SPI / GIC_PPI + 中断号
phys	引用的PHY节点列表	<&phy_node> 或 <&phy2 &phy3>
dr_mode	双角色模式	"host", "peripheral", "otg"
#phy-cells	PHY说明符的单元数	0（无参数）或 1（带索引）

关键提醒：PHY节点的#phy-cells属性必须与控制器节点的phys属性中的参数数量匹配。例如，#phy-cells = <0>时，phys = <&phy>；#phy-cells = <1>时，phys = <&phy 0>。

1.5 本章小结

USB 2.0与USB 3.x物理层在信号线数量、编码方式、传输模式上存在根本差异，设备树中需要为不同PHY分配独立的资源
主机控制器（EHCI/xHCI）和设备控制器（DWC2/DWC3）使用不同的驱动模型和设备树兼容字符串
OTG（USB 2.0）和DRD（USB 3.x/Type-C）在角色切换机制上不同，设备树中通过dr_mode属性控制
Type-C连接器引入了CC逻辑和PD供电，需要在设备树中描述额外的GPIO和电源管理节点
正确的PHY绑定是USB控制器正常工作的前提，必须确保phys、#phy-cells和时钟/复位资源完整