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。

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 1.019961.5 Mbps（Low Speed）

12 Mbps（Full Speed）首次标准化，支持热插拔USB 2.02000480 Mbps（High Speed）广泛兼容，支持OTGUSB 3.020085 Gbps（SuperSpeed）全双工传输，提高能效USB 3.1201310 Gbps（SuperSpeed+）引入Type-C接口USB 3.2201720 Gbps（SuperSpeed+ 2x2）多通道传输USB4201940 Gbps（基于Thunderbolt 3）兼容雷电3，支持DP Alt Mode

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）

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

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

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）。

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USBUSB 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。