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USB设备的挂起及远程唤醒

USB协议的第9章讲到USB可见设备状态,分为连接(Attached),上电(Powered),默认(Default),地址(Address),配置(Configured)和挂起(Suspended)6个状态。所谓可见,即USB系统和主机可见的状态,其他状态属于USB设备内部而不可见。其中有关电源的,大致可分下面三类:

  • 连接状态(Attached):设备连接,但未提供电源。
  • 上电状态(Powered):设备被复位(Reset),或者说处于地址、配置状态。
  • 挂起状态(Suspended):3 ms未见总线活动而处于省电状态,设备不可用,但仍然保持原有的USB地址和配置。

usb-status-change

USB设备的挂起

我们知道,在USB系统中,正常状态下hub或root hub会一直周期性地发送SOF包(Start Of Frame,全速USB每1ms发送一个,高速USB则是125µs发送一个)。根据USB协议,如果USB线上一直处于空闲(Idle)状态超过3ms,设备应该把它当作一个挂起(Suspended)信号,要求设备在10ms内进入挂起状态,并把设备所需的电流大小降到规定的值(对于low-power设备,要求是500 µA,而对于high-power或支持远程唤醒(remote wakeup)功能的设备是2.5mA。

在挂起状态中,设备必须继续向数据项D+/D-的上拉电阻提供电压以维持Idle状态。而对于USB2.0高速设备,还有些额外的要求:

  • 高速设备在收到挂起信号(3ms空闲)后,应在0.125ms内切换到全速状态,也就是说要把终端电阻移除,并在D+数据线上重新挂上1.5k上拉电阻。
  • 设备在随后的100-875µs内检测数据线上的状态。如果该状态是一个Full speed J,那么说明host发下来的是一个挂起信号;如果此时该状态是SE0,说明是host drive数据线D+到0,这是一个复位信号(复位信号会持续至少10ms时间)。
    要注意的是高速设备在挂起状态时处于高速模式,只是所用的是全速信号。一旦从挂起状态恢复回来,会马上进入高速工作状态而无需进行复位操作。

USB设备的挂起时序

设备的唤醒

设备处于挂起状态时,任何总线上的活动(非空闲信号)都可以把设备唤醒/恢复,从而退出低功耗模式。
因为设备挂起时处于全速信号,在当host需要把将设备退出suspend状态时,需要先发送一个持续时间超过20ms的Fulll Speed K状态。设备看到K状态结束的1.3us内醒过来,而host需要在3ms内发送uSOF信号以维持正常的高速信号模式,否则设备又将进入suspend。

设备的远程唤醒

同样,设备也可以换醒host,比如电脑待机时通过USB键盘来换醒主机,这种功能称之为“远程唤醒”(remote wakeup)
在配置描述符中,USB设备会将是否支持远程唤醒的能力报告给主机。
设备的远程唤醒时序

GetStatus返回请求

GetStatus()设备请求返回的信息,包含是否允许远程唤醒的信息。
详见:USB读取状态GetStatus

在配置描述符中,偏移第7个字节的描述属性项,包含了设备是否支持远程的功能位。Bit5代表是否支持远程唤醒。

    ------------------ Configuration Descriptor -------------------
bLength                  : 0x09 (9 bytes)
bDescriptorType          : 0x02 (Configuration Descriptor)
wTotalLength             : 0x010B (267 bytes)
bNumInterfaces           : 0x04 (4 Interfaces)
bConfigurationValue      : 0x01 (Configuration 1)
iConfiguration           : 0x00 (No String Descriptor)
bmAttributes             : 0xA0
 D7: Reserved, set 1     : 0x01
 D6: Self Powered        : 0x00 (no)
 D5: Remote Wakeup       : 0x01 (yes)
 D4..0: Reserved, set 0  : 0x00
MaxPower                 : 0x32 (100 mA)

禁用USB设备的远程唤醒

当然,也可通过USB清除特性请求ClearFeature 来禁止USB的远程唤醒功能。

USB远程唤醒的编程

如我们有一个STM32做的USB设备,通过外接GPIO按键触发实现远程唤醒PC主机。
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Resume的代码其实是一个状态机,是将STM32远程唤醒的寄存器置高10ms,即10个EOF,然后再置低,以使USB设备通过D+/D-的电信号进行远程唤醒。

STM32寄存器定义将此位置高1-15ms,将进行远程唤醒操作。

1612333409919

当然,支持远程唤醒也是需要PC机的配合的,一般情况下是在BIOS中的电源管理进行配置。
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