USB接口&协议详解

  USB（Universal Serial Bus，通用串行总线）是计算机和外部设备通信的标准化接口协议。自1996年发布USB 1.0以来，已经发展出多个版本（USB 2.0、USB 3.x、USB4），并广泛应用于PC、移动设备、嵌入式系统等领域。

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1. USB协议版本及关键特性

版本	发布时间	最大速率	关键改进
USB 1.0	1996	1.5 Mbps（Low Speed） 12 Mbps（Full Speed）	首次标准化，支持热插拔
USB 2.0	2000	480 Mbps（High Speed）	广泛兼容，支持OTG
USB 3.0	2008	5 Gbps（SuperSpeed）	全双工传输，提高能效
USB 3.1	2013	10 Gbps（SuperSpeed+）	引入Type-C接口
USB 3.2	2017	20 Gbps（SuperSpeed+ 2x2）	多通道传输
USB4	2019	40 Gbps（基于Thunderbolt 3）	兼容雷电3，支持DP Alt Mode

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2. USB物理接口类型

USB接口形态多样，主要分为：

(1) 传统接口（USB-A / USB-B)

• USB-A（Host端，如PC）

• USB-B（Device端，如打印机）

• Mini-USB / Micro-USB（旧款手机、移动设备）

(2) USB Type-C（现代标准）

• 对称设计（正反可插）

• 支持USB 3.1/3.2/USB4

• 支持Alternate Mode（如DisplayPort、Thunderbolt 3）

• 供电能力增强（USB PD，最高240W）

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3. USB通信架构

(1) 拓扑结构

• Host（主机）：PC、手机（OTG模式下）

• Device（设备）：U盘、键盘、鼠标

• Hub（集线器）：扩展USB接口

(2) 数据传输模式

传输类型	用途	示例
控制传输（Control）	设备枚举、配置（Endpoint 0）	USB设备初始化
中断传输（Interrupt）	低延迟、小数据量	键盘、鼠标
批量传输（Bulk）	大数据量，无实时性要求	U盘、打印机
等时传输（Isochronous）	实时流数据（无重传）	摄像头、音频设备

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4. USB协议栈

(1) 物理层（PHY）

• 负责信号调制（NRZI编码、差分信号D+/D-）

• USB 2.0：单通道差分对（D+/D-）

• USB 3.0+：增加超高速差分对（SSRX+/SSTX+等）

(2) 链路层（Link Layer）

• 数据包（Packet）封装：

  • SYNC（同步）

  • PID（包标识，如DATA0/DATA1）

  • CRC（校验）

(3) 协议层（Protocol Layer）

• 设备枚举（Enumeration）：Host识别Device并分配地址。

• 事务（Transaction）：IN（Host读）、OUT（Host写）、SETUP（控制命令）。

(4) 应用层

• 设备类（Class）：标准化接口（如HID、CDC、MSC）。

  示例：
  - HID（Human Interface Device）：键盘、鼠标  
  - CDC（Communication Device Class）：虚拟串口  
  - MSC（Mass Storage Class）：U盘  

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5. USB设备开发关键点

(1) 硬件设计

• USB控制器（如STM32的USB OTG IP、FTDI的USB转串口芯片）。

• ESD防护：TVS二极管防止静电损坏（如USBLC6-4SC6）。

• 阻抗匹配：USB 2.0差分线90Ω阻抗控制。

(2) 软件实现

• 设备描述符（Descriptor）：定义设备类型、接口、端点。

  // USB HID键盘描述符示例：

•  const uint8_t HID_ReportDescriptor[] = { 0x05, 0x01, // Usage Page (Generic Desktop) 0x09, 0x06, // Usage (Keyboard) 0xA1, 0x01, // Collection (Application) 0x05, 0x07, // Usage Page (Key Codes) 0x19, 0xE0, // Usage Minimum (0xE0) 0x29, 0xE7, // Usage Maximum (0xE7) 0x15, 0x00, // Logical Minimum (0) 0x25, 0x01, // Logical Maximum (1) 0x75, 0x01, // Report Size (1) 0x95, 0x08, // Report Count (8) 0x81, 0x02, // Input (Data, Var, Abs) };

• 协议栈选择：

  • 嵌入式：LibUSB、STM32 USB库。

  • Linux：usbcore内核模块 + Gadget驱动。

(3) 调试工具

• USB协议分析仪（如TotalPhase Beagle、Wireshark + USB抓包）。

• 逻辑分析仪（解码USB 2.0低速/全速信号）。

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6. USB常见问题

(1) 兼容性问题

• 供电不足：USB 2.0设备插在USB 3.0端口可能因电流限制无法工作。

• 协议版本混淆：USB 3.0线缆必须支持超高速信号，否则降级为USB 2.0。

(2) 信号完整性

• 长线衰减：USB 2.0建议线长<5m，USB 3.0<3m。

• EMI干扰：差分线需平行走线，避免跨分割。

(3) 软件配置

• 驱动缺失：Windows需安装INF驱动（如自定义HID设备）。

• 枚举失败：描述符错误导致Host拒绝设备。

7.USB OTG(on-the-go)

  USB OTG（On-The-Go）是USB标准的扩展，允许设备（如手机、平板、嵌入式设备）在**主机（Host）和外设（Device）**模式之间动态切换，从而无需依赖PC即可直接与其他USB设备通信。

7.1. USB OTG 核心概念

(1) 与传统USB的区别

特性	传统USB	USB OTG
角色固定	主机（Host）或设备（Device）固定	可在Host/Device间动态切换（Dual-Role）
供电方式	主机供电（5V/500mA）	可协商供电（支持电池供电设备）
典型应用	PC连接U盘、键盘等	手机读取U盘、相机连接打印机等

(2) 关键术语

• A-device（默认Host）：提供VBUS电源（如手机连接U盘时）。

• B-device（默认Device）：消耗VBUS电源（如U盘被手机读取时）。

• HNP（Host Negotiation Protocol）：允许设备动态切换Host/Device角色。

• SRP（Session Request Protocol）：用于唤醒或协商供电。

7.2. USB OTG 硬件设计

(1) ID 引脚识别

• Micro-USB/Mini-USB接口的ID引脚决定初始角色：

  • ID接地（0V） → 设备作为A-device（Host）（如OTG手机连接U盘）。

  • ID悬空/接高电平 → 设备作为B-device（Device）（如手机连接PC）。

• Type-C接口：通过CC（Configuration Channel）引脚协商角色，无需ID引脚。

(2) VBUS供电管理

• A-device需提供5V VBUS电源（通常通过PMIC或专用OTG芯片如TPS65133）。

• B-device检测VBUS电压（>4.4V）以确认连接。

(3) 典型电路设计

Micro-USB OTG 连接示例：
   ┌───────────────┐       ┌───────────────┐
   │   OTG设备     │       │   外设（U盘） │
   │               │       │               │
   │  VBUS ────────┼───────┼─► VBUS        │
   │  D+  ────────┼───────┼─► D+          │
   │  D-  ────────┼───────┼─► D-          │
   │  GND ────────┼───────┼─► GND         │
   │  ID ────┐    │       │               │
   │         ˅    │       │               │
   │      (接地)  │       │               │
   └───────────────┘       └───────────────┘

7.3. USB OTG 协议与软件支持

(1) 协议栈

• USB 2.0 + OTG补充协议：支持HNP/SRP协商。

• Linux/Android：通过dwc2/dwc3驱动支持OTG（如/sys/kernel/debug/usb/目录下的角色切换）。

• 嵌入式系统（STM32等）：需启用USB OTG库（如STM32Cube的HAL_PCD和HAL_HCD）。

(2) 常见应用场景

场景	角色切换	示例
手机读取U盘	手机（Host） ↔ U盘（Device）	通过OTG线连接FAT32格式U盘。
两台手机互传文件	动态切换Host/Device（需HNP支持）	通过USB OTG + 文件传输协议（MTP）。
嵌入式设备调试	MCU（Host） ↔ PC（Device）	STM32通过USB CDC虚拟串口输出日志。

7.4. USB OTG 常见问题

(1) 兼容性问题

• 电压不足：部分设备VBUS输出电流不足（如<500mA），导致外设无法工作。
  解决方案：外接供电或使用带电源的USB Hub。

• 协议不支持：旧设备可能仅支持USB 2.0，无法触发OTG模式。

(2) 软件配置

• Android设备：需内核启用OTG驱动，部分厂商可能禁用此功能。

• 嵌入式MCU：需正确配置USB时钟和引脚复用（如STM32的PA11/PA12）。

(3) 物理接口

• Type-C替代Micro-USB：Type-C通过CC引脚实现更灵活的DRP（Dual-Role Power）模式。

8. 总结

• USB协议是分层设计的复杂标准，涵盖物理接口、数据链路、协议栈和应用层。

• 关键设计点：

  • 硬件：接口类型（Type-C/A/B）、ESD防护、阻抗控制。

  • 软件：设备描述符、协议栈（HID/CDC/MSC）、Host/Device角色管理。

• 未来趋势：USB4/Thunderbolt 4统一高速接口，支持40Gbps + DP Alt Mode。