大家好，我是良许
在嵌入式开发中，USB 可以说是我们最常打交道的接口之一了。
无论是调试设备、烧录程序，还是开发各种外设，USB 都扮演着至关重要的角色。
今天我就来和大家深入聊聊 USB 总线和协议的那些事儿。
1. USB 总线概述
1.1 USB 的发展历程
USB 技术从 1996 年诞生至今，已经经历了多个版本的迭代。
最初的 USB 1.0 速度只有 1.5Mbps，到 USB 1.1 的 12Mbps，再到 USB 2.0 的 480Mbps，USB 3.0 更是达到了 5Gbps。
现在最新的 USB 4.0 甚至能达到 40Gbps 的惊人速度。
在我们嵌入式开发中，USB 2.0 依然是应用最广泛的版本，因为它在速度、成本和功耗之间取得了很好的平衡。
1.2 USB 的优势特点
USB 之所以能够如此普及，主要得益于它的几个核心优势。
首先是即插即用（Plug and Play），设备连接后系统会自动识别并加载驱动，这对用户来说非常友好。
其次是热插拔（Hot Swap），不需要关机就能插拔设备，大大提高了使用便利性。
第三是供电能力，USB 接口可以为外设提供 5V 电源，最大电流可达 500mA（USB 2.0）或 900mA（USB 3.0），这让很多小功率设备无需额外供电。
最后是统一的接口标准，一根线缆可以连接各种不同类型的设备。
1.3 USB 的拓扑结构
USB 采用的是主从架构，也就是 Host-Device 模式。
在一个 USB 系统中，只能有一个主机（Host），但可以连接多个设备（Device）。
主机负责管理整个总线，包括设备枚举、数据传输调度等。
通过 USB Hub（集线器），一个主机最多可以连接 127 个设备。
这种星型拓扑结构最多支持 5 层 Hub 级联，但实际应用中很少会用到这么深的层级。
2. USB 硬件接口
2.1 USB 接口类型
USB 接口经历了多次演进，我们常见的有 Type-A、Type-B、Mini USB、Micro USB 以及最新的 Type-C。
Type-A 是最常见的标准 USB 接口，通常用于主机端。
Type-B 接口则多用于打印机等外设。
Mini USB 和 Micro USB 曾经广泛应用于手机和小型设备，现在逐渐被 Type-C 取代。
Type-C 接口最大的特点是正反可插，并且支持更高的功率传输和数据速率。
2.2 USB 引脚定义
以 USB 2.0 的标准 A 型接口为例，它有 4 个引脚，从外到内分别是 VCC（+5V 电源）、D-（数据负）、D+（数据正）、GND（地）。
其中 D+ 和 D-是一对差分信号线，用于数据传输。
USB 采用差分信号的好处是抗干扰能力强，能够实现较长距离的可靠传输。
在实际 PCB 设计中，我们需要特别注意 D+ 和 D-的走线要等长，并且要做差分对处理，阻抗控制在 90 欧姆左右。
2.3 USB 电气特性
USB 2.0 定义了三种速度模式：低速（Low Speed）1.5Mbps、全速（Full Speed）12Mbps 和高速（High Speed）480Mbps。
不同速度模式下，电气特性也有所不同。
低速和全速模式使用 3.3V 的信号电平，而高速模式使用 400mV 的差分电压。
在设备端，我们可以通过在 D+ 或 D-上串联一个 1.5K 欧姆的上拉电阻来标识设备的速度类型。
全速和高速设备在 D+ 上拉，低速设备在 D-上拉。
3. USB 协议架构
3.1 USB 协议分层
USB 协议采用分层设计，从下到上分为物理层、协议层、功能层和应用层。
物理层负责电气信号的传输，包括编码、解码、位同步等。
协议层处理数据包的组装和解析，包括令牌包、数据包、握手包等。
功能层实现具体的 USB 功能，比如端点管理、数据缓冲等。
应用层则是具体的设备功能实现，比如 USB 鼠标、键盘、U 盘等。
3.2 USB 传输类型
USB 定义了四种传输类型，分别适用于不同的应用场景。
控制传输用于设备配置和状态查询，所有 USB 设备都必须支持控制传输。
中断传输用于少量、实时性要求高的数据传输，比如鼠标、键盘。
批量传输用于大量数据的可靠传输，但不保证实时性，U 盘就是典型应用。
同步传输用于音视频等对实时性要求高但可以容忍少量错误的场景。
3.3 USB 数据包结构
USB 通信的基本单位是包。
一个完整的 USB 传输由多个包组成，包括令牌包、数据包和握手包。
令牌包由主机发出，用于指示传输的方向和目标端点。
数据包携带实际要传输的数据。
握手包用于确认传输状态，比如 ACK 表示成功接收，NAK 表示设备暂时无法处理，STALL 表示端点出错。
每个包都包含同步字段、PID（包标识符）、数据字段和 CRC 校验。
4. USB 设备枚举过程
4.1 设备连接检测
当一个 USB 设备插入主机时，主机会通过检测 D+ 或 D-上的电平变化来发现新设备。
前面提到的 1.5K 上拉电阻就是关键，它会将 D+ 或 D-拉高，主机检测到这个变化后就知道有新设备连接了。
随后主机会等待至少 100ms，让设备的电源稳定下来，这个过程叫做去抖动。
4.2 设备复位和地址分配
检测到新设备后，主机会发送复位信号，持续至少 10ms。
复位后，设备进入默认状态，使用地址 0 进行通信。
接下来主机会通过控制传输读取设备描述符，了解设备的基本信息，比如厂商 ID、产品 ID、设备类型等。
然后主机会给设备分配一个唯一的地址（1-127 之间），设备收到地址后就不再使用地址 0 了。
4.3 配置和驱动加载
获取设备地址后，主机会继续读取配置描述符、接口描述符和端点描述符，全面了解设备的功能和需求。
根据这些信息，操作系统会加载相应的驱动程序。
最后主机发送 SET\_CONFIGURATION 命令，设备进入配置状态，开始正常工作。
整个枚举过程通常在几秒内完成，这就是我们插入 U 盘后很快就能使用的原因。
5. USB 端点和管道
5.1 端点的概念
端点是 USB 设备中数据传输的终点，可以理解为设备内部的一个数据缓冲区。
每个端点都有一个编号（0-15）和方向（IN 或 OUT）。
IN 端点表示数据从设备发送到主机，OUT 端点表示数据从主机发送到设备。
端点 0 比较特殊，它是双向的，专门用于控制传输。
一个 USB 设备最多可以有 32 个端点（16 个 IN + 16 个 OUT），但实际应用中很少用这么多。
5.2 管道的建立
管道（Pipe）是主机和设备端点之间的逻辑连接。
当主机完成设备枚举后，就会根据端点描述符建立相应的管道。
管道分为流管道（Stream Pipe）和消息管道（Message Pipe）。
流管道用于批量、中断和同步传输，数据没有特定的结构。
消息管道用于控制传输，数据有明确的请求-响应结构。
5.3 端点配置示例
在 STM32 的 HAL 库中，配置 USB 端点的代码大致如下：
// 打开并配置端点
HAL_StatusTypeDef HAL_PCD_EP_Open(PCD_HandleTypeDef *hpcd,
uint8_t ep_addr,
uint16_t ep_mps,
uint8_t ep_type)
{
HAL_StatusTypeDef ret = HAL_OK;
PCD_EPTypeDef *ep;
if ((ep_addr & 0x80U) == 0x80U) {
ep = &hpcd->IN_ep[ep_addr & EP_ADDR_MSK];
ep->is_in = 1U;
} else {
ep = &hpcd->OUT_ep[ep_addr & EP_ADDR_MSK];
ep->is_in = 0U;
}
ep->num = ep_addr & EP_ADDR_MSK;
ep->maxpacket = ep_mps;
ep->type = ep_type;
// 配置硬件寄存器
// ...
return ret;
}
// 端点数据发送
HAL_StatusTypeDef HAL_PCD_EP_Transmit(PCD_HandleTypeDef *hpcd,
uint8_t ep_addr,
uint8_t *pBuf,
uint32_t len)
{
PCD_EPTypeDef *ep;
ep = &hpcd->IN_ep[ep_addr & EP_ADDR_MSK];
ep->xfer_buff = pBuf;
ep->xfer_len = len;
ep->xfer_count = 0U;
// 启动传输
// ...
return HAL_OK;
}
6. USB 描述符详解
6.1 设备描述符
设备描述符是 USB 设备的"身份证"，包含了设备的基本信息。
它的长度固定为 18 字节，包括 USB 版本号、设备类代码、厂商 ID（VID）、产品 ID（PID）、设备版本号等。
主机通过读取设备描述符来识别设备类型并加载相应驱动。
在嵌入式开发中，我们需要根据实际设备来定义这个描述符。
// USB设备描述符示例
const uint8_t USBD_DeviceDesc[USB_LEN_DEV_DESC] = {
0x12, // bLength: 描述符长度
USB_DESC_TYPE_DEVICE, // bDescriptorType: 设备描述符类型
0x00, 0x02, // bcdUSB: USB 2.0
0x00, // bDeviceClass: 在接口描述符中定义
0x00, // bDeviceSubClass
0x00, // bDeviceProtocol
USB_MAX_EP0_SIZE, // bMaxPacketSize: 端点0最大包大小
LOBYTE(USBD_VID), // idVendor: 厂商ID低字节
HIBYTE(USBD_VID), // idVendor: 厂商ID高字节
LOBYTE(USBD_PID), // idProduct: 产品ID低字节
HIBYTE(USBD_PID), // idProduct: 产品ID高字节
0x00, 0x02, // bcdDevice: 设备版本号
USBD_IDX_MFC_STR, // iManufacturer: 厂商字符串索引
USBD_IDX_PRODUCT_STR, // iProduct: 产品字符串索引
USBD_IDX_SERIAL_STR, // iSerialNumber: 序列号字符串索引
USBD_MAX_NUM_CONFIGURATION // bNumConfigurations: 配置数量
};
6.2 配置描述符
配置描述符定义了设备的工作配置，一个设备可以有多个配置，但同一时间只能使用一个。
配置描述符本身只有 9 字节，但它后面会跟着接口描述符和端点描述符，形成一个描述符集合。
配置描述符中包含了接口数量、配置值、供电方式（自供电或总线供电）、最大功耗等信息。
6.3 接口和端点描述符
接口描述符定义了设备的功能接口，一个配置可以包含多个接口。
比如一个 USB 复合设备可能同时包含 HID 接口和 CDC 接口。
接口描述符指定了接口类代码、子类代码和协议代码，这些信息帮助主机识别接口类型。
端点描述符则描述了每个端点的属性，包括端点地址、传输类型、最大包大小和轮询间隔等。
中断传输和同步传输需要指定轮询间隔，表示主机多久查询一次端点。
7. USB 类驱动
7.1 HID 类
HID 是最常见的 USB 设备类之一，包括鼠标、键盘、游戏手柄等。
HID 类的优势是操作系统都内置了 HID 驱动，无需安装额外驱动就能使用。
HID 设备通过报告来传输数据，报告格式由报告描述符定义。
在嵌入式开发中，我们经常用 HID 类来实现自定义的数据传输，因为它简单方便。
7.2 CDC 类
CDC 主要用于串口通信。USB 转串口模块就是典型的 CDC 设备。
CDC 类使用两个接口：一个通信接口用于控制，一个数据接口用于数据传输。
通过 CDC 类，我们可以在 PC 上虚拟出一个 COM 口，就像使用传统串口一样方便。
这在调试嵌入式系统时非常有用。
7.3 MSC 类
MSC 用于 U 盘、移动硬盘等存储设备。
MSC 类基于 SCSI 协议，支持读写扇区、查询容量等操作。
实现 MSC 类设备需要提供底层的存储介质访问接口，比如 Flash、SD 卡等。
在 STM32 中，我们可以使用内部 Flash 或外部 SPI Flash 来实现一个虚拟 U 盘。
// MSC类读扇区函数示例
int8_t STORAGE_Read(uint8_t lun, uint8_t *buf,
uint32_t blk_addr, uint16_t blk_len)
{
// 计算实际地址
uint32_t addr = blk_addr * STORAGE_BLK_SIZ;
// 从Flash读取数据
for (uint16_t i = 0; i < blk_len; i++) {
// 读取一个扇区
memcpy(buf, (uint8_t*)(FLASH_BASE_ADDR + addr),
STORAGE_BLK_SIZ);
buf += STORAGE_BLK_SIZ;
addr += STORAGE_BLK_SIZ;
}
return 0;
}
// MSC类写扇区函数示例
int8_t STORAGE_Write(uint8_t lun, uint8_t *buf,
uint32_t blk_addr, uint16_t blk_len)
{
uint32_t addr = blk_addr * STORAGE_BLK_SIZ;
// 解锁Flash
HAL_FLASH_Unlock();
for (uint16_t i = 0; i < blk_len; i++) {
// 擦除扇区
FLASH_EraseSector(addr);
// 写入数据
for (uint32_t j = 0; j < STORAGE_BLK_SIZ; j += 4) {
HAL_FLASH_Program(FLASH_TYPEPROGRAM_WORD,
addr + j,
*(uint32_t*)(buf + j));
}
buf += STORAGE_BLK_SIZ;
addr += STORAGE_BLK_SIZ;
}
// 锁定Flash
HAL_FLASH_Lock();
return 0;
}
8. USB OTG 技术
8.1 OTG 的概念
OTG 是 USB 2.0 引入的一项技术，允许设备在主机和从机之间动态切换。
传统 USB 只能是主机连接设备，而 OTG 使得两个设备可以直接连接，并协商谁当主机。
比如手机既可以作为设备连接到电脑，也可以作为主机连接 U 盘或键盘。
OTG 设备通过 ID 引脚来识别角色，ID 引脚接地的一方作为主机。
8.2 HNP 和 SRP 协议
OTG 定义了两个重要协议：HNP（Host Negotiation Protocol，主机协商协议）和 SRP（Session Request Protocol，会话请求协议）。
HNP 允许两个 OTG 设备在连接后交换主机角色，比如手机给相机传完照片后，相机可以变成主机来控制手机。
SRP 允许从设备请求主机启动会话，这在省电模式下很有用。
8.3 OTG 在嵌入式中的应用
在嵌入式系统中，OTG 功能非常实用。
比如一个手持设备，既需要连接 PC 进行数据传输和充电，又需要连接 U 盘读取文件。
使用 OTG 技术就能很好地满足这种需求。
STM32 的许多型号都支持 USB OTG，我们在设计产品时可以充分利用这个特性，提升产品的灵活性和用户体验。
9. USB 调试技巧
9.1 硬件调试
USB 硬件调试首先要检查电路连接是否正确，特别是 D+ 和 D-的走线。
使用示波器可以观察 USB 信号的波形，检查是否有过冲、振铃等问题。
如果设备无法被主机识别，可以测量上拉电阻是否正常，电源电压是否稳定。
另外要注意 ESD 防护，USB 接口容易受到静电冲击，建议加装 TVS 管。
9.2 协议分析
软件调试方面，USB 协议分析仪是必不可少的工具。
通过抓取 USB 通信数据包，我们可以清楚地看到枚举过程、描述符内容、数据传输细节等。
常用的 USB 协议分析软件有 Wireshark、Ellisys、Beagle 等。
对于简单的调试，Windows 自带的 USBView 工具也很有用，可以查看设备描述符和当前状态。
9.3 常见问题排查
在实际开发中，经常遇到的问题包括设备无法枚举、数据传输错误、速度不达标等。
设备无法枚举通常是描述符配置错误或硬件连接问题。
数据传输错误可能是端点配置不对或缓冲区溢出。
速度不达标则需要检查时钟配置和 DMA 设置。
建议在开发初期就建立完善的日志系统，记录 USB 事件和错误信息，这对问题定位非常有帮助。
10. 总结
USB 技术虽然看起来复杂，但只要掌握了基本原理和协议结构，在实际应用中就能游刃有余。
作为嵌入式工程师，我们不仅要会用 USB，更要深入理解它的工作机制。
从硬件接口到协议栈，从设备枚举到数据传输，每个环节都值得我们仔细研究。
希望通过这篇文章，能帮助大家建立起对 USB 技术的系统认识，在今后的项目开发中少走弯路。
USB 技术还在不断发展，Type-C 和 USB PD 等新技术也值得我们持续关注。
只有不断学习，才能在技术的浪潮中保持竞争力。
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