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本书从实践应用出发，结合示波器的波形图和USB协议分析仪提供的记录信息，对在USB开发过程中研发人员会遇到的一些实际问题进行详尽讲解，力求让读者深入了解USB的协议规范，并介绍了USB认证的内容和流程，为在实际开发过程中的USB认证提供参考。本书还对最新的USB TYPE-C和供电技术进行了相关介绍，并通过具体实例的讲解，使读者对于USB最新技术的发展能有所了解。本书适合希望深入理解USB协议规范或对USB认证有需求的半导体设计工程师使用。

目录
第1章  深入理解USB信号	001
1.1  USB的电气特性和信号	002
1.1.1  电气特性	003
1.1.2  驱动特性	007
1.1.3  USB信号特性	009
1.1.4  数据包编码	018
1.2  连接和断开的检测	020
1.2.1  连接状态的检测	021
1.2.2  断开状态的检测	024
1.3  速度检测	028
1.3.1  低速和全速设备识别	028
1.3.2  高速设备识别	029

第2章  深入理解USB协议	035
2.1  通信协议	036
2.1.1  概要	038
2.1.2  包	039
2.1.3  事务	044
2.1.4  传输	055
2.1.5  数据翻转	062
2.1.6  标准USB设备请求	069
2.2  USB描述符	071
2.2.1  设备描述符	073
2.2.2  配置描述符	074
2.2.3  接口描述符	075
2.2.4  端点描述符	076
2.2.5  字符串描述符	077
2.2.6  接口关联描述符	078
2.2.7  设备限定描述符	079
2.2.8  其他速度模式下的配置描述符	079
2.3  枚举	080
2.3.1  设备状态	080
2.3.2  枚举流程	083
2.4  挂起和恢复	090
2.4.1  挂起	090
2.4.2  恢复	092
2.4.3  高速模式下的挂起信号和复位信号区别	098
2.5  端点停止	100
2.5.1  功能停止	100
2.5.2  协议停止	103
2.6  OTG简介	104
2.6.1  角色	105
2.6.2  协议	105
2.6.3  OTG设备状态迁移	111
2.6.4  OTG工作流程	118
第3章  USB硬件控制器	121
3.1  增强主机控制器接口	122
3.1.1  寄存器接口	123
3.1.2  EHCI连接/断开检测	125
3.1.3  EHCI速度检测	128
3.1.4  USB主机传输调度机制	130
3.1.5  USB设备传输调度机制	137
3.1.6  EHCI枚举的软件实现	139
3.1.7  EHCI挂起和恢复	140
3.1.8  EHCI异常处理	142
3.2  Kinetis主机控制器接口	143
3.2.1  外围硬件设计	144
3.2.2  控制器接口	145
3.2.3  KHCI连接/断开检测	151
3.2.4  KHCI速度检测	154
3.2.5  KHCI传输实现	155
3.2.6  KHCI枚举的软件实现	158
3.2.7  KHCI挂起和恢复	158
3.2.8  KHCI端点停止处理	161

第4章  USB音频演示程序	163
4.1  USB音频	164
4.1.1  USB音频功能实现拓扑	164
4.1.2  音频控制接口和描述符	165
4.1.3  音频流接口和描述符	172
4.1.4  USB音频描述符实例	177
4.1.5  音频设备请求	182
4.1.6  USB音频类2.0简介	184
4.2  USB音频流同步	187
4.2.1  反馈端点同步方案	188
4.2.2  调节时钟同步方案	192
4.3  USB音频演示程序代码分析	192
4.3.1  连接/断开检测代码分析	192
4.3.2  速度检测代码分析	198
4.3.3  枚举、挂起和恢复代码分析	202
4.3.4  音频流同步代码分析	208
4.3.5  USB音频示例演示	212
第5章  USB认证	215
5.1  USB认证的简介	216
5.2  USB认证的流程	218
5.2.1  获得供应商识别码	218
5.2.2  准备USB兼容性测试清单	219
5.2.3  送USB授权实验室进行测试	220
5.2.4  获得合格报告及证书	221

5.3  典型的测试用例	221
5.3.1  不受支持的设备信息	222
5.3.2  最大集线器层次数	222
5.3.3  电源预算指示	222
5.3.4  PET测试	223
5.3.5  USB测试模式	223
5.3.6  USB特殊单步测试用例	226
第6章  USB Type-C及供电协议	231
6.1  Type-C	232
6.1.1  接口定义	233
6.1.2  角色定义	235
6.1.3  热拔插检测	239
6.1.4  正反插检测	240
6.1.5  供电功能	243
6.1.6  附属模式	243
6.2  供电协议	244
6.2.1  供电协议规范定义	245
6.2.2  供电规则	252
6.2.3  供电协商	252
6.2.4  供电切换	255
6.2.5  通信功能协商	257
6.2.6  复用模式	258
6.3  解决方案	262
6.3.1  硬件支持	262
6.3.2  演示程序	265
参考文献	270

序一
中国经济已经由高速增长阶段转向高质量发展阶段，正处在转变发展方式、优化经济结构、转换增长动力的攻关期。习近平总书记在十九大报告中明确指出，要坚持新发展理念，主动参与和推动经济全球化进程，发展更高层次的开放型经济，不断壮大我国的经济实力和综合国力。
对于我国的集成电路产业来说，当前正是一个实现产业跨越式发展的重要战略机遇期，前景十分光明，挑战也十分严峻。在政策层面，2014年《国家集成电路产业发展推进纲要》发布，提出到2030年产业链主要环节达到国际先进水平，实现跨越发展的发展目标；2015年，国务院提出“中国制造2025”，将集成电路产业列为重点领域突破发展首位；2016年，国务院颁布《“十三五”国家信息化规划》，提出构建现代信息技术和产业生态体系，推进核心技术超越工程，其中集成电路被放在首位。在技术层面，目前全球集成电路产业已进入重大调整变革期，中国集成电路技术创新能力和中高端芯片供给水平正在提升，中国企业设计、封测水平正在加快迈向第一阵营。在应用层面，5G移动通信、物联网、人工智能等技术逐步成熟，各类智能终端、物联网、汽车电子及工业控制领域的需求将推动集成电路的稳步增长，从而集成电路产业将成为这些产品创新发展的战略制高点。
展望“十三五”，中国集成电路产业必将迎来重大发展，特别是十九大提出要加快建设制造强国，加快发展先进制造业，推动互联网、大数据、人工智能和实体经济深度融合等新的要求，给集成电路发展开拓了新的发展空间，使得集成电路产业由技术驱动模式转化为需求和效率优先模式。在这样的大背景下，通过高层次的全球合作来促进我国国内集成电路产业的崛起，将成为我们发展集成电路的一项重要抓手。
在推进集成电路产业发展的过程中，建立创新体系、构建产业竞争力，最终都要落在人才上。人才培养是集成电路产业发展的一个核心组成部分，我们的政府、企业、科研和出版单位对此都承担重要的责任和义务。所以我们非常支持工业和信息化部人才交流中心、恩智浦（中国）管理有限公司、电子工业出版社共同编制出版这套《物联网与人工智能应用开发丛书》。这套丛书集中了众多一线工程师和技术人员的集体智慧和经验，并且经过了行业专家学者的反复论证。我希望广大读者可以将这套丛书作为日常工作中的一套工具书，指导应用开发工作，还能够以这套丛书为基础，从应用角度对我们未来产业的发展进行探索，并与中国的发展特色紧密结合，服务中国集成电路产业的转型升级。


序二
随着摩尔定律逐步逼近极限，以及云计算、大数据、物联网、人工智能、5G等新兴应用领域的兴起，细分领域竞争格局加快重塑，围绕资金、技术、产品、人才等全方位的竞争加剧，当前全球集成电路产业进入了发展的重大转型期和变革期。
自《国家集成电路产业发展推进纲要》发布以来，随着“中国制造2025”“互联网+”、大数据等国家战略的深入推进，国内集成电路市场需求规模进一步扩大，产业发展空间进一步增大，发展环境进一步优化。在市场需求拉动和国家相关政策的支持下，我国集成电路产业继续保持平稳快速、稳中有进的发展态势，产业规模稳步增长，技术水平持续提升，资本运作渐趋活跃，国际合作层次不断提升。
集成电路产业是一个高度全球化的产业，发展集成电路需要强调自主创新，也要强调开放与国际合作，中国不可能关起门来发展集成电路。
集成电路产业的发展需要知识的不断更新。这一点随着云计算、大数据、物联网、人工智能、5G等新业务、新平台的不断出现，已经显得越来越重要，越来越迫切。由工业和信息化部人才交流中心、恩智浦（中国）管理有限公司与电子工业出版社共同组织编写的《物联网与人工智能应用开发丛书》，是我们产业开展国际知识交流与合作的一次有益尝试。我们希望看到更多国内外企业持续为我国集成电路产业的人才培养和知识更新提供有效的支撑，通过各方的共同努力，真正实现中国集成电路产业的跨越式发展。

 序三
尽管有些人认为全球集成电路产业已经迈入成熟期，但随着新兴产业的崛起，集成电路技术还将继续演进，并长期扮演核心关键角色。事实上，到现在为止还没有出现集成电路的替代技术。
中国已经成为全球最大的集成电路市场，产业布局基本合理，各领域进步明显。2016年，中国集成电路产业出现了三个里程碑事件：第一，中国集成电路产业第一次出现制造、设计、封测三个领域销售规模均超过1000亿元人民币，改变了多年来始终封测领头，设计和制造跟随的局面；第二，设计业超过封测业成为集成电路产业最大的组成部分，这是中国集成电路产业向好发展的重要信号；第三，中国集成电路制造业增速首次超过设计业和封测业，达到最快。随着中国经济的增长，中国集成电路产业的发展也将继续保持良好态势。未来中国将保持世界电子产品生产大国的地位，对集成电路的需求还会维持在高位。与此同时，我们也必须认识到，国内集成电路的自给率不高，在很长一段时间内对外依存度会停留在较高水平。
我们要充分利用当前物联网、人工智能、大数据、云计算加速发展的契机，实现我国集成电路产业的跨越式发展，一是要对自己的发展有清醒的认识；二是要保持足够的定力，不忘初心、下定决心；三是要紧紧围绕产品，以产品为中心，高端通用芯片必须面向主战场。
产业要发展，人才是决定性因素。目前我国集成电路产业的人才情况不容乐观，人才缺口很大，人才数量和质量均需大幅度提升。与市场、资本相比，人才的缺失是中国集成电路产业面临的最大变量。人才的成长来自知识的更新和经验的积累。我国一直强调产学研结合、全价值链推动产业发展。加强企业、研究机构、学校之间的交流合作，对于集成电路产业的人才培养和知识更新有非常正面的促进作用。由工业和信息化部人才交流中心、恩智浦（中国）管理有限公司与电子工业出版社共同组织编写的这套《物联网与人工智能应用开发丛书》，内容涉及安全应用与微控制器固件开发、电机控制与USB技术应用、车联网与电动汽车电池管理、汽车控制技术应用等物联网与人工智能应用开发的多个方面，对于专业技术人员的实际工作具有很强的指导价值。我对参与丛书编写的专家、学者和工程师们表示感谢，并衷心希望能够有越来越多的国际优秀企业参与到我国集成电路产业发展的大潮中来，实现全球技术与经验和中国市场需求的融合，支持我国产业的长期可持续发展。


序四
人工智能与物联网、大数据的完美结合，正在成为未来十年新一轮科技与产业革命的主旋律。随之而来的各个行业对计算、控制、连接、存储及安全功能的强劲需求，也再次把半导体集成电路产业推向了中国乃至全球经济的风口浪尖。
历次产业革命所带来的冲击往往是颠覆性的改变。当我们正为目不暇接的电子信息技术创新的风起云涌而喝彩，为庞大的产业资金在政府和金融机构的热推下，正以前所未有的规模和速度投入集成电路行业而惊叹的同时，不少业界有识之士已经敏锐地意识到，构成并驱动即将到来的智能化社会的每一个电子系统、功能模块、底层软件乃至检测技术都在面临巨大的量变与质变。毫无疑问，一个以集成电路和相应软件为核心的电子信息系统的深度而全面的更新换代浪潮正在向我们走来。
如此的产业巨变不仅引发了人工智能在不远的将来是否会取代人类工作的思考，更加现实而且紧迫的问题在于，我们每一个人的知识结构和理解能力能否跟得上这一轮技术革新的发展步伐？内容及架构更新相对缓慢的传统教材以及漫无边际的网络资料，是否足以为我们及时勾勒出物联网与人工智能应用的重点要素？在一个如今仅凭独到的商业模式和靠免费获取的流量，就可以瞬间增加企业市值的IT盛宴里，我们的工程师们需要静下心来在哪些方面练好基本功，才能在未来翻天覆地般的技术变革时代立于不败之地？
带着这些问题，我们在政府和国内众多知名院校的热心支持与合作下，精心选题，推敲琢磨，策划了这一套以物联网与人工智能的开发实践为主线，以集成电路核心器件及相应软件开发的最新应用为基础的科技系列丛书，以期对在人工智能新时代所面对的一些重要技术课题提出抛砖引玉式的线索和思路。
本套丛书的准备工作始终得到了工业和信息化部电子信息司刁石京司长，国家集成电路大基金丁文武总裁，清华大学微电子系主任魏少军教授，工业和信息化部人才交流中心王希征主任、李宁副主任，电子工业出版社党委书记、社长王传臣的肯定与支持，恩智浦（中国）管理有限公司的任霞女士、张伊雯女士、陈劼女士，以及恩智浦（中国）管理有限公司各个产品技术部门的技术专家们为丛书的编写组织工作付出了大量的心血，电子工业出版社的董亚峰先生、徐蔷薇女士为丛书的编辑出版做出了精心的规划。著书育人，功在后世，借此机会表示衷心的感谢。
未来已来，新一代产业革命的大趋势把我们推上了又一程充满了精彩和想象空间的科技之旅。在憧憬人工智能和物联网即将给整个人类社会带来的无限机遇和美好前景的同时，打好基础，不忘初心，用知识充实脚下的每一步，又何尝不是一个主动迎接未来的良好途径？


前言
USB作为一种通用的标准通信接口，由于其良好的数据传输可靠性、可扩展性和低廉的成本，在各个领域都被广泛使用。同时，越来越多的开发人员开始关注和学习USB相关的知识。然而，与其他的总线协议IIC或者SPI相比，USB在物理信号和协议上无疑要复杂许多。不管是硬件板级设计或者软件驱动、应用程序的编写，难度都大为提高，这给广大开发人员的学习和使用带来了很多困难。
本书是“物联网与人工智能应用开发丛书”中的一本，本系列丛书中还有另外一本《微控制器USB的技术与应用入门》讲解如何开发USB设备应用实例。而本书更关注于USB底层的信号和协议，从实践出发，结合实际的示波器波形图和USB协议分析仪提供的记录信息对USB的信号和协议进行系统讲解。本书对在USB实际开发过程中研发人员经常碰到的一些问题进行了进一步讨论，不仅说明了USB的信号与协议“是什么”的问题，而且进一步解释了“为什么”的问题，可以为读者深入理解USB的信号和协议提供指导。
本书基于常用的两款USB控制器，详细地阐述了如何对USB控制器进行实际的编程，使之产生正确的USB信号来完成USB协议，使读者在实际的学习开发过程中能有所借鉴。
同时，本书结合 USB音频类的相关知识，使用MCUXpresso SDK软件包中USB扬声器演示程序的源代码，对于本书中所涉及的技术从软件实现的角度进行讲解，使读者能够有更加直观的认识和理解。
USB相关的知识非常庞杂，本书难以涵盖USB所有的方面，由于篇幅所限，只选取了USB认证和最新的USB TYPE-C与供电技术（Power Delivery）进行了梳理和讲解，务求能让读者对于USB认证的内容、流程及相关的技术难点有清楚的认识并对最新的USB技术发展能有所涉及。
本书在归纳总结USB规范的同时，更多的关注于讲解USB规范为什么要这么定义，帮助读者从更深的层次理解USB协议，适合希望对USB技术有更深入了解的读者阅读和学习。同时，本书所讨论的话题都是在实际的工程开发过程中会碰到的具体问题，也可以为广大USB开发的工程人员提供参考和借鉴。
全书共6章，第1章由刘君杰执笔，第2章由胡唯唯和张春源执笔，第3章由石宏宽和朱乐乐执笔，第4章由蒋宇达执笔，第5章由石宏宽执笔，第6章由王已昌执笔。全书由刘君杰负责统稿。胡唯唯承担了大量的绘图和后期的文字校对、录入等工作，在此表示衷心的感谢。
感谢本系列丛书专家指导委员会的各位专家对本书大纲结构给予了宝贵的建议，感谢恩智浦半导体高级软件开发经理曾荣给予了很多富有建设性的意见和思路，感谢在本书的编写过程中给予指导和建议的老师和工程师同事们。
USB相关知识不仅复杂，所涵盖的方向也非常多，技术发展也日新月异，很多理论和应用技术问题还有待进一步深入探索和发展。由于作者水平有限，加之时间仓促，疏漏和不足之处在所难免，希望得到广大读者的批评指正。

 《微控制器USB的信号和协议实现》编者团队
2017年9月

电子/通信

工业和信息化部人才交流中心（以下简称中心）创建于1985年1月，1992年10月成为独立事业法人单位，工业和信息化部所属的党政机关一类事业单位(正局级)，是经中央机构编制委员会办公室批准，国家事业单位登记管理局注册登记，是工业和信息化部在人才培养、人才交流、智力引进、国际交流、会议展览等方面的支撑机构；也是人力资源和社会保障部、工业和信息化部“全国信息专业技术人才知识更新工程”及“信息化工程师”项目实施承办单位。

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