基于DWC2的USB驱动开发-高速设备速度握手详解
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前言 前面我们分析了usb连接和复位的过程, 也知道低速和全速/高速的usb设备分别是上拉dm和dp,主机通过不同的上拉区分接的是低速还是全速/高速设备的。但是怎么区分全速和高速呢？ 这就需要额外的一些握手过程，本篇就来详细介绍该过程。
高速握手过程
usb连接检测过程见如下
https://mp.weixin.qq.com/s/t6pblp83iiejdvm_6ogqda
usb复位过程见
https://mp.weixin.qq.com/s/8xkca-xpjzxaio6moqvgaq
对于低速设备上拉dm，主机检测到该上拉，然后发送复位就完了
对于全速和高速设备上拉dp，主机检测到该上拉，然后发送复位，接下来是速度握手过程。
老规矩我们从规格书入手，usb2.0规格书p154中《high-speed detection handshake (not performed if low-speed device detected by hub):》有描述整个过程，但是这都是文字描述，不是很直观，所以我们理论结合实践，直接根据真实的波形和规格书的描述对照进行分析。
在速度握手中，主机（集线器）和设备都需要检测拥有最小持续时间的chirp j和k, 涉及到两个关键信号chirp j和k(参见规格书7.1 signaling或者本系列文章)。
整个过程如下
(1)设备使能dp上拉1.5k，如下图的(1)处,此时dp大概3v左右
(2)主机检测到dp拉高，检测到设备连接，发送se0进行复位
如上图的(2)，因为时间很短，下面是细节图，可以看到下图se0状态只维持了8us,后面就是蓝色线(dm)高于黄色线即chirp k信号，对应上图的(3)部分。
回顾一下复位分析那一篇文章，发送放复位会持续50ms，但是接收方在最低2.5us就可以识别到复位，这里实测是8us设备就识别到复位然后开始发送chirp k信号了。
保持d+上的1.5k上拉电阻使能，设备发送chirp k信号是通过，禁用高速终端电阻，并将高速信号电流驱动到d-线完成的。
这里有点不理解禁用了终端电阻，电流驱动到d-线,电流环路是什么?
并且如下可以看到dm有1.2v左右，这个电压是如何来的?
该chirp k信号必须持续不少于1.0 ms（tuch），并且在高速复位时间t0点(即主机发出的se0开始)后不超过7.0 ms（tuchend）结束。
chirp k持续时间如下所示，这里是2ms，满足上述要求
参数tuch和tuchend的值在手册中的描述如下
上述可以看到chirp k的信号，dm大概是1.1v左右,比后面的kj序列高一点。
(3)主机(集线器)必须在看到chirp k信号持续2.5µs（tfilt）时间以上，后认为检测到设备发出的chirpk,这里的2.5us的要是实际是相当于滤波避免干扰。如果主机(集线器)未检测到设备发出的chirp k信号，则必须继续发送se0，直到复位结束(持续50ms)。
tfilt参数见规格书如下处说明
在chirp k状态结束后不超过100µs（twtdch），主机（集线器）必须开始发送chirp k和chirp j的交替序列，j和k之间不得存在空闲状态。此序列必须持续到复位结束前不超过500µs且不少于100µs的时间（tdchse0）（这样的目的是保证总线保持活动状态，防止设备进入高速挂起状态。）。每个单独的chirp k和chirp j必须持续不少于40µs且不超过60µs（tdchbit）。
twtdch，tdchse0，tdchbit的参数上图。
如下图(4)处
细节图如下
如下可以看到要求chirp k结束100µs（twtdch）以内开始后面的kj序列，实际10us左右就开始了，满足要求。
如下图所示，主机发送的kj序列持续了约50ms，即约复位的时间，实际要求是发送到复位结束前的100µs~500us,这里示波器能力有限就不展示下图右边红色圈处的细节了。
在k-j序列之后，主机(集线器)发送se0，直到复位结束，即上面说的kj序列之后100~500us复位结束。复位结束时，主机(集线器)必须转换到高速启用状态，而不会在数据线上引起任何转换。
(4)设备这端发送完chirp k之后监控主机发送的k-j序列。设备端需要至少看到3对k-j序列，即序列chirp k-j-k-j-k-j才认为是有效的kj序列。每个单独的chirp k和chirp j必须检测不少于2.5µs（tfilt）。
我们这里看到有持续50us满足要求
如果设备检测到序列chirp k-j-k-j-k-j，则检测后不超过500µs（twths），设备需要断开d+上拉电阻器，启用高速终端，并进入高速默认状态。
如下图所示，这里刚好约500us左右进行了上述切换，上述切换也导致了dp和dm的电平的变化，原来kj序列大概是0.8v左右，即主机发送kj是通过电流17.78ma驱动45欧终端电阻实现的，17.78ma*45即0.8v。而我们又看到后面箭头处的电压下降，是因为正好是上述的设备切换到了高速模式，使能了45ω终端电阻，所以设备的终端电阻和主机的终端电阻并联只有一般电阻，所以电压就只有一般0.4v左右了。
如果设备在完成其自己的chirp k之后，在不小于1.0ms且不大于2.5ms（twtfs）的时间内未检测到有效kj序列，则设备需要恢复到全速默认状态并等待复位结束。
以上就是整个速度握手的过程，比较细节，我们再做一些总结
关于整体电压的变化，如下图，有4个等级，图中(1)和(2)之间还有个复位的se0电平这里就略掉了。
(1)即设备通过dp上拉,即15k和1.5k的分压,3.3x15/(1.5+15) dp大概3v.
(2)设备发送chirp k，dp 1.5k上拉还在，设备终端电阻禁用，实测d-上的电压是大概1.2v，这里的电流路径是什么? 待确定。
(3)主机发送kj序列,主机通过驱动17.78ma电流到对应45欧终端电阻,发送kj，所以dp dm是0.8v
(4)设备也进入了高速模式，1.5k上拉断开，设备使能了45欧终端电阻，和主机的终端电阻并联，主机继续在发kj序列，此时主机的17.78ma电流驱动只能产生0.4v的电压。
驱动编写
手册p522 5.4.47 dcfg的bit[1:0]devspd用于配置设备期望工作过的速度，注意这里是期望，而不是一定，因为还需要速度握手过程，比如这里配置为高速，则还需要看主机是否支持高速。
所以我们需要在初始化时配置该位，告诉控制器后面以该速度去进行速度握手。那么握手结束之后实际是什么速度呢，手册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还会产生中断，
手册p369寄存器5.4.7 gintmsk的位13 enumdonemsk设置为1使能，速度握手完成中断。
相应的手册p357寄存器5.4.6 gintsts的位13enumdone为中断标志，写1清除标志
所以驱动的基本过程是
1.初始化配置devspd设置期望的工作速度
2.配置enumdonemsk使能中断，清除标志enumdone
3.等待中断，查询实际握手的速度enumspd，根据该速度再次重新配置devspd设置工作过速度。并清除标志enumdone。
以上就完成了整个速度握手过程。
实际以上逻辑如果是非标主机，可能会存在bug，后面会有一个实际案例进行分享，先卖个关子以后再单独写一篇文章分享该案例。
如下图两个箭头处分别对应的是复位中断，和速度握手完成中断
我们通过中断服务函数中打印时间戳(注意要用非阻塞方式)，看到reset_intr和high speed之间的时间刚好是50ms(打印的是us单位)，和图中对应
而我们在usb_dev_crtl_sft_discon(0);使能dp上拉时也加一个打印，即上面connect后打印的时间戳和reset_intr之间是50ms，如下图
总结
以上介绍了整个速度握手过程，以及设备驱动的编写。重点是结合手册的描述对照波形去看和分析，要了解没以一个实践段，每一个信号，每一个电平的含义和原理，知道那个信号是谁驱动的，为什么是这个波形，一定要自己亲自用示波器去抓波形，而不要使用别人的波形，因为不同的设备可能略有差异，如何去触发，如何去抓波形，也会加深自己的理解。
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高速握手过程
usb连接检测过程见如下
https://mp.weixin.qq.com/s/t6pblp83iiejdvm_6ogqda
usb复位过程见
https://mp.weixin.qq.com/s/8xkca-xpjzxaio6moqvgaq
对于低速设备上拉dm，主机检测到该上拉，然后发送复位就完了
对于全速和高速设备上拉dp，主机检测到该上拉，然后发送复位，接下来是速度握手过程。
老规矩我们从规格书入手，usb2.0规格书p154中《high-speed detection handshake (not performed if low-speed device detected by hub):》有描述整个过程，但是这都是文字描述，不是很直观，所以我们理论结合实践，直接根据真实的波形和规格书的描述对照进行分析。
在速度握手中，主机（集线器）和设备都需要检测拥有最小持续时间的chirp j和k, 涉及到两个关键信号chirp j和k(参见规格书7.1 signaling或者本系列文章)。
整个过程如下
(1)设备使能dp上拉1.5k，如下图的(1)处,此时dp大概3v左右
(2)主机检测到dp拉高，检测到设备连接，发送se0进行复位
如上图的(2)，因为时间很短，下面是细节图，可以看到下图se0状态只维持了8us,后面就是蓝色线(dm)高于黄色线即chirp k信号，对应上图的(3)部分。
回顾一下复位分析那一篇文章，发送放复位会持续50ms，但是接收方在最低2.5us就可以识别到复位，这里实测是8us设备就识别到复位然后开始发送chirp k信号了。
保持d+上的1.5k上拉电阻使能，设备发送chirp k信号是通过，禁用高速终端电阻，并将高速信号电流驱动到d-线完成的。
这里有点不理解禁用了终端电阻，电流驱动到d-线,电流环路是什么?
并且如下可以看到dm有1.2v左右，这个电压是如何来的?
该chirp k信号必须持续不少于1.0 ms（tuch），并且在高速复位时间t0点(即主机发出的se0开始)后不超过7.0 ms（tuchend）结束。
chirp k持续时间如下所示，这里是2ms，满足上述要求
参数tuch和tuchend的值在手册中的描述如下
上述可以看到chirp k的信号，dm大概是1.1v左右,比后面的kj序列高一点。
(3)主机(集线器)必须在看到chirp k信号持续2.5µs（tfilt）时间以上，后认为检测到设备发出的chirpk,这里的2.5us的要是实际是相当于滤波避免干扰。如果主机(集线器)未检测到设备发出的chirp k信号，则必须继续发送se0，直到复位结束(持续50ms)。
tfilt参数见规格书如下处说明
在chirp k状态结束后不超过100µs（twtdch），主机（集线器）必须开始发送chirp k和chirp j的交替序列，j和k之间不得存在空闲状态。此序列必须持续到复位结束前不超过500µs且不少于100µs的时间（tdchse0）（这样的目的是保证总线保持活动状态，防止设备进入高速挂起状态。）。每个单独的chirp k和chirp j必须持续不少于40µs且不超过60µs（tdchbit）。
twtdch，tdchse0，tdchbit的参数上图。
如下图(4)处
细节图如下
如下可以看到要求chirp k结束100µs（twtdch）以内开始后面的kj序列，实际10us左右就开始了，满足要求。
如下图所示，主机发送的kj序列持续了约50ms，即约复位的时间，实际要求是发送到复位结束前的100µs~500us,这里示波器能力有限就不展示下图右边红色圈处的细节了。
在k-j序列之后，主机(集线器)发送se0，直到复位结束，即上面说的kj序列之后100~500us复位结束。复位结束时，主机(集线器)必须转换到高速启用状态，而不会在数据线上引起任何转换。
(4)设备这端发送完chirp k之后监控主机发送的k-j序列。设备端需要至少看到3对k-j序列，即序列chirp k-j-k-j-k-j才认为是有效的kj序列。每个单独的chirp k和chirp j必须检测不少于2.5µs（tfilt）。
我们这里看到有持续50us满足要求
如果设备检测到序列chirp k-j-k-j-k-j，则检测后不超过500µs（twths），设备需要断开d+上拉电阻器，启用高速终端，并进入高速默认状态。
如下图所示，这里刚好约500us左右进行了上述切换，上述切换也导致了dp和dm的电平的变化，原来kj序列大概是0.8v左右，即主机发送kj是通过电流17.78ma驱动45欧终端电阻实现的，17.78ma*45即0.8v。而我们又看到后面箭头处的电压下降，是因为正好是上述的设备切换到了高速模式，使能了45ω终端电阻，所以设备的终端电阻和主机的终端电阻并联只有一般电阻，所以电压就只有一般0.4v左右了。
如果设备在完成其自己的chirp k之后，在不小于1.0ms且不大于2.5ms（twtfs）的时间内未检测到有效kj序列，则设备需要恢复到全速默认状态并等待复位结束。
以上就是整个速度握手的过程，比较细节，我们再做一些总结
关于整体电压的变化，如下图，有4个等级，图中(1)和(2)之间还有个复位的se0电平这里就略掉了。
(1)即设备通过dp上拉,即15k和1.5k的分压,3.3x15/(1.5+15) dp大概3v.
(2)设备发送chirp k，dp 1.5k上拉还在，设备终端电阻禁用，实测d-上的电压是大概1.2v，这里的电流路径是什么? 待确定。
(3)主机发送kj序列,主机通过驱动17.78ma电流到对应45欧终端电阻,发送kj，所以dp dm是0.8v
(4)设备也进入了高速模式，1.5k上拉断开，设备使能了45欧终端电阻，和主机的终端电阻并联，主机继续在发kj序列，此时主机的17.78ma电流驱动只能产生0.4v的电压。
驱动编写
手册p522 5.4.47 dcfg的bit[1:0]devspd用于配置设备期望工作过的速度，注意这里是期望，而不是一定，因为还需要速度握手过程，比如这里配置为高速，则还需要看主机是否支持高速。
所以我们需要在初始化时配置该位，告诉控制器后面以该速度去进行速度握手。那么握手结束之后实际是什么速度呢，手册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还会产生中断，
手册p369寄存器5.4.7 gintmsk的位13 enumdonemsk设置为1使能，速度握手完成中断。
相应的手册p357寄存器5.4.6 gintsts的位13enumdone为中断标志，写1清除标志
所以驱动的基本过程是
1.初始化配置devspd设置期望的工作速度
2.配置enumdonemsk使能中断，清除标志enumdone
3.等待中断，查询实际握手的速度enumspd，根据该速度再次重新配置devspd设置工作过速度。并清除标志enumdone。
以上就完成了整个速度握手过程。
实际以上逻辑如果是非标主机，可能会存在bug，后面会有一个实际案例进行分享，先卖个关子以后再单独写一篇文章分享该案例。
如下图两个箭头处分别对应的是复位中断，和速度握手完成中断
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总结
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