[其它] 解读usb规范，延时决定usb线缆可以有多长。最新结论usb2.0传输线缆可以有50.4米。

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冰魄子

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上尉

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[LV.20]漫游旅程

发表于 2009-12-30 19:20 |显示全部楼层

本帖最后由矿石于 2012-4-12 19:40 编辑

usb1.0许可的延时

usb1.1许可的延时
规范表明，usb1.0协议传输时，也就是低速传输，线缆长度不能超过0.3米每纳秒X18ns=5.4米；当传输遵循usb1.1协议，也就是全速传输，线缆长度不能超过0.3米每纳秒X26ns=7.8米。连接线缆长度超过这些长度，即为数据包超时。
那么，如今的usb设备大都支持usb2.0规范了，就是高速传输方式，这种方式所允许的延时到底可以有多少呢？先留个悬念，待续。。。

这是低速和全速方式，配有hub状态下的总允许延时，我们看到总延时分配到了70ns，如果hub效率够高只占用4ns，那么我们还可以有66ns留给线缆，也就是光速X66ns=19.8米。

这是延长usb线缆所要重要考虑的表格，usb线缆在各频率下所允许的最大衰减量表格。这张表格也参与决定什么样材质的线缆可以做usb线缆的最大长度。各种线缆的衰减计算各位自己找吧。
下面谈谈电压范围
7.2.2 Voltage Drop Budget
The voltage drop budget is determined from the following:
• The voltage supplied by high-powered hub ports is 4.75 V to 5.25 V.
• The voltage supplied by low-powered hub ports is 4.4 V to 5.25 V.
• Bus-powered hubs can have a maximum drop of 350 mV from their cable plug (where they attach to a
source of power) to their output port connectors (where they supply power).
• The maximum voltage drop (for detachable cables) between the A-series plug and B-series plug on VBUS is
125 mV (VBUSD).
• The maximum voltage drop for all cables between upstream and downstream on GND is 125 mV (VGNDD).
• All hubs and functions must be able to provide configuration information with as little as 4.40 V at the
connector end of their upstream cables. Only low-power functions need to be operational with this
minimum voltage.
• Functions drawing more than one unit load must operate with a 4.75 V minimum input voltage at the
connector end of their upstream cables.
从规范里，我们看出，一个高耗电usb设备允许的供电范围是4.75v-5.25v，一个低耗电usb设备允许的电压范围是4.4v-5.25v。一米0.5毫米的网线铜丝的电阻是0.0866欧姆，20米就是1.732欧姆，如果你的网卡供电只需100ma，那么20米的压损仅为0.1732v，完全落在允许电压范围内，如果你的网卡供电500ma，那么压损有0.866v，电压过低，需要用两根网线并联供电，但是电脑usb供电可能会超5.25v，这种情况下，虽然是大电流网卡，也只需要一根网线供电就足够了，绝对不需要三根并接。由此，我们看到，供电问题其实很容易解决。
接下来要说的就是大家最关心的usb2.0协议下，线缆长度最长可以有多少呢？

规范表明，一个回程，也就是数据包从南桥发出，到南桥收到响应为止的，所允许的最大量是352纳秒+552个位时，其中线缆分到312纳秒，hub分到40纳秒和360个位时，设备端分到192位时。这是总的允许时间，也就是usb多级联后也不能超出这个时间。如果我们不级联，那么我们可以省掉hub消耗，再给两端接口延时消耗一个回程4个4ns，分配给hub40纳秒延时里还剩24纳秒，附加到线缆延时，可以有312+24=336ns，由于这是一个回程允许的线缆延时，所以我们要除以2，最后得到允许的线缆延时是168ns，由此，我们得出usb2.0传输协议下，不占用设备处理的位时状态下，以及线缆是超导状态下，也就是信号无衰减情况下，线缆长度可以有光速X168纳秒=50.4米。
那么，为什么官方规定usb线缆最大长度只可以有5米呢？因为很重要的一点，就是usb规范规定usb接口是要向前兼容，也就是说支持2.0的设备也要能支持1.0的设备，因为1.0设备只允许5.4米，所以2.0设备也只能最长5.4米，省略掉小数点就是5米。如果超出5.4米，那么他们就不能互相兼容了，也就是破坏了规范。但是我们diy族不需要考虑这个，因为我们的电脑接口和usb网卡都支持2.0，所以完全可以抛弃1.0和1.1的长度限制，从而面向2.0的长度限制制作usb延长线，我们现在知道最大长度可以有50.4米，真是个振奋人心的好消息。现在最大的瓶颈问题就是信号的衰减问题了。