第1章
USB基础知识

通用串行总线（Universal Serial Bus, USB）是由英特尔（Intel）、康柏（Compaq）、国际商业机器（International Business Machines, IBM）、微软（Microsoft）、北方电讯（Northern Telecom）等计算机与通信公司于1995年联合制定，并逐渐形成行业标准的数据通信方式，现如今已经广泛替代了笨重的串口（RS232、RS485）与并口，成为21世纪大量计算机和智能设备的标准扩展与必备接口之一。可以这么说，现在几乎每一台个人计算机（Personal Computer, PC）与安卓（Android）智能手机都配备了USB接口，相应的图标如图1.1所示。

为方便后续行文，我们先了解一下USB系统的基本架构，它由主机（Host）、设备（Device）与互连电缆（Interconnect）三部分组成，如图1.2所示。

最常见的USB主机就是PC，它主导着整个USB系统的数据传输。USB设备实在太多了，日常生活中使用频繁的包括智能手机、U盘、移动硬盘、数码相机、打印机、游戏手柄、摄像头、网卡等。当然，作为工程师的你还可能会购买逻辑分析仪、示波器、噪声计等其他一些使用USB接口的仪器仪表。对于现阶段的我们，仅需要特别注意主机与设备之间的主要区别：主机可以向设备发送数据，设备也可以向主机发送数据，但 USB系统的数据传输只能由主机启动，设备只是根据主机的需要被动响应。在任何时候，USB系统仅允许存在一个主机 。通俗来讲，USB设备就是“傀儡”，它什么时候做什么完全取决于USB主机，不能擅自做主。我们进一步将 从主机往设备方向的数据传输 称为下行（Downstream）通信，反之则称为上行（Upstream）通信。也就是说，上行与下行的定义是 以主机为参考的 。

由于USB系统的数据传输存在于主机与设备之间，也就意味着： 设备与设备、主机与主机之间无法直接进行数据传输 ，这可能会带来一些应用上的不便。例如，我想将数码相机中的照片保存到移动硬盘，通常需要将它们都与PC连接后，再将照片复制到移动硬盘中。但如果在野外进行拍摄作业，也就意味着还需要另外携带一台主机（或存储空间足够大的存储卡）。为解决此问题，后来增加的USB OTG（On The Go）标准则允许设备切换成为主机，这样就能够实现数码相机与移动硬盘之间数据的直接传输，现在很多智能手机也支持USB OTG功能。

USB互连线缆通常包含4条线（USB OTG标准增加了一条区分主机与设备身份的信号线，本书不涉及），即用于电源供电的VBUS与GND，以及用于数据传输的 双向差分信号线 D+与D-（有时也称D+与D-，即Plus与Minus），如图1.3所示。

那么USB为何能够风靡全球呢？当然是由于它易于使用，这主要体现在USB 安装配置便捷、兼容性好、传输速度快、端口扩展简易 、 供电简单 、 接口体积小 等方面。

安装配置便捷 主要体现在USB支持热插拔（Hot Swap）与即插即用（Plug and Play, PnP），这两点对于提升用户体验非常重要。USB接口支持热插拔，意味着在PC处于上电状态下可以随时断开或连接USB设备，而不会对PC或外部设备造成损伤，但以前的老式接口一般不允许这么做。使用过PS/2（Personal System 2）接口鼠标（或键盘）的读者应该知道，如果在PC开机后再插入PS/2接口鼠标，操作系统很有可能无法识别（需要重启）。有些主板还需要按指定颜色将鼠标插入指定的接口，插错了也是识别不了的，其他串口或并口也是如此。但使用USB鼠标（或键盘等其他USB设备）却不一样，PC开机后，随时插入，随时可以使用，而且PC所有的USB接口都可以任意插入（只要硬件接口类型对应即可，并不限定必须插入到哪一个USB接口），如图1.4所示。

USB接口的一些设计细节就是为了实现支持热插拔的，其内部共有4根金属导体（可以称为“金手指”），外侧两根较长的分别是供电电源线VBUS与GND，内侧两根较短的分别是数据线D+与D-，如图1.4（b）所示。当我们将USB设备插入主机时，外侧电源线首先连接并对设备进行供电，而中间的数据线能够在通电状态下进行数据交换。相反，当从主机拔出设备时，则先断开数据传输，确保数据不会因断电而丢失，然后再将设备电源切断，这样也就能够保证在插拔过程中对主机系统及USB设备不产生影响。而USB设备在与主机连接后能够马上使用，是因为支持PnP的Windows操作系统（本书如无特别说明，均针对Windows操作系统）会为插入的USB设备选择与加载合适的驱动程序（后续还会进一步详细讨论）。

兼容性好 也是注重用户体验的重要表现。USB的最初版本为1.0，之后依次经历了1.1、2.0、3.0、3.1、3.2、4.0等版本，兼容性好就意味着 新版本兼容旧版本 （通俗地说，如果旧版本能用，那么新版本也能用）， 即向后兼容（Backward Compatibility） 。例如，你有一个旧的USB鼠标，其USB总线版本为1.0，那么即便与USB 2.0主机连接，同样可以正常使用，是不是非常方便！实际上，USB 2.0的低速与全速分别对应USB 1.0与USB 1.1版本，只不过更换了一个名称而已。各种USB总线版本及其特点如表1.1所示，其中，“bps”表示比特率（bit per second），即单位时间内传输的比特数。

从严格意义上来讲，USB 2.0就代表着“支持高速模式”，至少当提到“USB 2.0主机”时通常是如此。但是由于USB向后兼容的特性，很多厂商给不支持高速模式的USB芯片或设备也冠名了“USB 2.0”，只是会换成类似“与USB 2.0规范全速兼容”的宣传方式（本质是USB 1.1），本书使用的STM32F103x系列单片机就是这样。换句话说，在实际应用中，我们无法仅从“USB 2.0”字样获得芯片或设备真正支持的速率。 本书如无特别说明，所述内容均针对USB 2.0 。

USB 3.0及以上版本的命名比较多，普通用户不容易分辨清楚，因为官方在发布USB 3.1时进行了一次版本重命名，也就是将原来的USB 3.0更改为USB 3.1 Gen 1，表示第一代（Generation）USB 3.1；原来的USB 3.1则更改为USB 3.1 Gen 2，表示第二代USB 3.1。如果这还不足以让你感到混乱，官方在发布USB 3.2时又开始了新一轮如表1.1所示版本的重命名。简单地说，USB 3.0、USB 3.1 Gen 1、USB 3.2 Gen 1是一个“东西”，USB 3.1、USB 3.1 Gen 2、USB 3.2 Gen 2也是一个“东西”。也就是说，以后没有USB 3.0、USB 3.1的官方说法了，USB 2.0后面直接就是USB 3.2，本书描述过程中也同样遵循最新官方命名规则。如果某个商家使用类似“我这个USB 3.1接口铁定比别家USB 3.0接口的数据传输速率要快呀”之类的说法对你进行连番营销轰炸，请务必打起十二分精神，可不要被“忽悠”了。

刚刚提到的“官方”指的是USB开发者论坛（USB Implementers Forum, USB-IF），它是由USB规范制定公司建立的非营利性组织，致力于推广并发展USB技术，其官方网站为www.usb.org，本书涉及的所有USB相关规范均可从该网站免费下载。

值得一提的是，现如今USB 1.1与USB 1.0设备已经越来越少了，支持更高传输速率的USB4（不是USB 4.0，之间也没有空格）也将不再兼容。

传输速度快 也是USB应用广泛的主要因素之一，它的数据传输速率也许不是所有总线中最快的，但对于大多数应用已经足够。USB 2.0版本支持低速、全速与高速三种速率规格，相应的理论最大数据传输速率分别为1.5Mbps、12Mbps与480Mbps，更加令人兴奋的是，最新的USB4规范支持的传输速率可达到40Gbps。虽然USB实际有效数据传输量小于理论最大传输速率（因为总线状态、控制与错误监测等功能也需要一定的数据开销），但USB 2.0最大传输速率仍然可超过50Mbps（总线空闲时最快传输类型的理论值），远高于一般的串口。

供电简单 能够简化USB设备的硬件设计。以往我们使用的串口或并口只是单纯地作为通信之用，这意味着产品需要单独的电源输入，增加了系统的复杂度（你至少得增加电源电路）。而从表1.1可以看到，USB接口都可以向外提供一定功率的电源。例如，USB 2.0的输出电压为5V，输出电流的最大值为500mA，如果USB设备消耗的功率不超2.5W，则可以使用USB接口直接供电，USB鼠标与键盘就是典型应用。从USB 3.2 Gen 1开始，USB接口的供电功率进一步提升到了4.5W，USB 3.2 Gen 2则将电力传输协议进行了重新设计，支持USB功率传输（Power Delivery, PD）的设备可以提供最大100W的输出功率，可以实现快速充电的功能。

端口扩展能力 对于很多用户也很重要。以前的PC通常最多会各配置一个并口与RS232串口，假设使用并口连接打印机，那如何连接其他也使用并行接口的产品呢？如果不嫌麻烦，就拔下来重新插入。即便具备高技术水平的你有能力设计一个并口扩展模块，但对于大多数普通人而言却并不太现实。更何况，最新的PC已经不再提供串口与并口了。

再如，以往进行单片机开发时会使用串口，但是通常PC只会携带一个，很有可能出现不够用的情况。现在应用非常广泛的 USB转串口设备 却可以将串口取而代之，能够接入的 USB转串口设备 的数量仅取决于USB可用接口，而USB可用接口则可以通过USB集线器（Hub）轻松进一步扩展，它与网络集线器的功能相似。例如，学校每个寝室都有很多人，每个人都有一台PC，但网络电缆只有一根，怎么办？用网络集线器就可以解决这个问题！USB集线器存在的意义也是相似的，相应的扩展连接如图1.5所示。

USB设备按功能可分为两大类：一类为 USB集线器 （Hub），另一类为 USB功能 （Function） 设备 。前面提到USB设备（除USB集线器外）都属于 功能设备 ，它们都各自提供了一些特定的功能。例如，U盘能够存储数据，示波器能够采集数据。大多数情况下，我们所做的开发工作都是针对USB功能设备的。本书如无特别说明，涉及的“设备”就是指功能设备。

理论上，USB主机可以通过USB集线器扩展最多127个下行接口，但USB集线器的 级联层数 也是有限制的，USB 1.1与USB 2.0分别最多可支持4层与6层（不含最后一级功能设备），主机的根集线器（Root Hub）也视为一层，USB 2.0的扩展拓扑结构如图1.6所示。

这是一种阶梯式星形（Tiered Star）拓扑的USB扩展结构，每一个星形中心就是一个USB集线器（控制芯片），而每个USB集线器都只有一个上行口，进行扩展时只需要将其 与上一级USB集线器的下行口连接 即可。组合（Compound）设备则是将一个或多个功能设备与集线器组合在一起，其本质也是将功能设备与集线器下行口连接，我们可以将其理解为不可拆卸的功能（Non-removable Function）设备。例如，现在推出一个自带U盘的集线器，它将U盘功能设备与集线器的某一个下行口连接（在产品外面看不到），其他下行口则开放给用户作为集线器使用，这就是一个组合设备。

一般厂家在设计USB 2.0集线器产品时会使用同一款芯片，但是比较常用的USB集线器控制芯片只有4个或7个下行口（也就是我们所说的“1拖4”与“1拖7”），为了扩展更多的下行口，只能采用多个USB集线器控制芯片级联的方式，但是在扩展时要注意： 下行接口的总数量不能超过127个，并且集线器级联的层数不能大于5 （对于USB 2.0主机，因为根集线器也占用了一层）。图1.7（a）为正确的“1拖32”集线器级联方案，图1.7（b）扩展的下行接口数量虽然没有超过127个，但USB集线器的级联层数已经超过5，属于错误的级联方式。

尽管USB的优点很多，但也不是完美的，它的传输距离有限，一般不大于5m，但是对于一般的应用已经足够了，而且可以通过级联集线器的方式进一步扩展传输距离。另外，USB的易用性是以更复杂的协议为代价的，开发过程相较于以往的串并行接口更复杂一些，而本书的目的就是为了轻松解决该问题，你不必有任何学习上的负担。

USB物理接口的具体类型有很多种，它们都有自己适用的不同场合。USB 2.0常用的母口（Female）连接器也称为插座（Receptacle），如图1.8所示。绝大多数PC配备的都是呈矩形的A型（Type A）母口，而呈方形的B型（Type B）母口则多用于设备（如打印机、投影仪、扫描仪等）。迷你（Mini）母口的使用已经越来越少了，微（Micro）B型母口的应用则越来越多（A型母口已经淘汰），因为其体积更小，在本书尚未出版前，它也是绝大多数安卓智能手机的标配接口。另外，公头与母口是配对使用的，也称为插头（Plug），不匹配的公头是无法与母口连接的，具体规格可以参考USB 2.0规范，此处不再赘述。

USB 3.2又增加了几种连接器，如图1.9所示。其中，A型与B型接口与USB 2.0是兼容的，只不过增加了USB 3.2独有的两对差分线（分别输入与输出）引脚。微B（A）型接口看似有些“奇葩”，其实它由两部分组成，主要是为了兼容USB 2.0的微B（A）型接口，因为较长的那部分与USB 2.0标准的微B（A）型接口定义是一致的，但是由于其体积比较大，这种接口的应用非常少。C型接口应该是大势所趋，其体积与USB 2.0微B型接口相似，但支持更多可用于USB 3.2的数据线，而且接口没有正反方向区分（Reversible）。在本书尚未出版前，已经有不少厂家开始将这种接口应用于智能手机，但是这并不意味着一定支持USB 3.2规范，它只不过使用了物理接口中用于USB 2.0的数据线而已。