为什么要学习 USB 协议

、为什么要学习 USB 协议

USB 是 Universal Serial Bus 的缩写，中文通常叫通用串行总线。它是电脑、手机、工控机、单片机开发板和各种外设之间最常见的连接方式之一。

在嵌入式开发中，USB 常用于：

• 虚拟串口通信
• U 盘读写
• 键盘、鼠标、按键板
• 固件升级
• 数据采集
• 音频设备
• 摄像头设备
• USB 网卡
• 上位机参数配置

很多初学者第一次接触 USB 时会觉得它很复杂，因为 USB 不像普通 UART 那样“发字节、收字节”就结束了。USB 设备接入电脑后，电脑会先询问设备是什么、支持什么功能、需要多少电流、有哪些接口、有哪些端点，然后才开始真正传输数据。

这个“先自我介绍，再通信”的过程，就是 USB 学习的核心。

二、USB 通信中的基本角色

USB 通信中最重要的两个角色是：

• 主机，Host
• 设备，Device

1. 主机是什么

USB 主机是整个 USB 总线的管理者。它负责供电、检测设备插入、发起通信、读取描述符、分配地址、配置设备、调度数据传输。

常见 USB 主机包括：

• 电脑
• 工控机
• 手机 OTG 模式
• 支持 USB Host 的 MCU
• 嵌入式 Linux 主板

USB 通信中，绝大多数数据传输都是由主机主动发起的。即使设备想发送数据，也通常需要等主机来询问或调度。

2. 设备是什么

USB 设备是被主机管理的外设。它连接到主机后，需要按照 USB 协议回答主机的问题。

常见 USB 设备包括：

• U 盘
• 键盘
• 鼠标
• USB 转串口模块
• USB 摄像头
• USB 声卡
• 单片机 USB CDC 虚拟串口设备

STM32F103C8T6 使用 CherryUSB 做 CDC 虚拟串口时，STM32 就是 USB Device，电脑就是 USB Host。

三、什么是 USB 端口

很多人会把“端口”理解成电脑上的 USB 插孔，这在日常语言里没有问题。但在 USB 协议学习中，需要区分两种概念：

• 物理端口
• 逻辑端点

1. 物理端口

物理端口就是看得见摸得着的 USB 接口，例如电脑上的 USB-A、USB-C 插口，或者开发板上的 Micro USB、Type-C 接口。

它负责电气连接，常见信号包括：

• VBUS：USB 供电，通常是 5 V
• GND：地
• D+：USB 全速/低速数据信号
• D-：USB 全速/低速数据信号

对于 STM32F103C8T6 的 USB FS 设备：

• PA11 是 USB_DM，也就是 D-
• PA12 是 USB_DP，也就是 D+

USB 全速设备通常通过 D+ 上拉电阻告诉主机：“有一个全速 USB 设备接入了”。

2. 逻辑端点

USB 协议里更常说的是 Endpoint，中文叫端点。端点不是物理插口，而是设备内部用于数据传输的逻辑通道。

可以把 USB 设备想象成一栋办公楼：

• USB 设备是整栋楼
• 接口 Interface 是不同部门
• 端点 Endpoint 是每个部门收发文件的窗口

电脑并不是随便往设备里写数据，而是往某个端点发送数据，或者从某个端点读取数据。

四、USB 速度等级

USB 有不同速度等级，常见如下：

STM32F103C8T6 内置的是 USB Full Speed Device 控制器，速率是 12 Mbps。它不能直接做 USB High Speed。

USB 全速设备必须有准确的 48 MHz USB 时钟。对于 STM32F103，常见配置是：

• 外部 HSE 8 MHz
• PLL 倍频到 72 MHz
• USB 时钟使用 PLL / 1.5
• 得到 48 MHz

如果 USB 时钟不准，电脑可能出现无法识别、设备描述符请求失败、Code 43 等问题。

五、USB 连接后的枚举过程

USB 设备插入电脑后，不能马上开始业务通信。主机会先执行一个过程，叫枚举 Enumeration。

枚举可以理解为主机对设备进行“身份调查”和“建档登记”。

典型枚举流程如下：

1. 主机检测到 D+ 或 D- 上拉，知道有设备接入。
2. 主机复位 USB 总线。
3. 设备进入默认地址0。
4. 主机读取设备描述符前 8 字节，知道端点 0 最大包长。
5. 主机给设备分配一个新的 USB 地址。
6. 主机读取完整设备描述符。
7. 主机读取配置描述符。
8. 主机读取接口、端点、字符串等描述符。
9. 主机根据描述符加载对应驱动。
10. 主机设置配置，设备进入可用状态。

如果某一步失败，Windows 可能提示：

• 请求 USB 设备描述符失败
• 未知 USB 设备
• 设备无法启动，代码 10
• Windows 已将其停止，代码 43

其中“请求 USB 设备描述符失败”通常说明设备在枚举最早期就没有正确返回 Device Descriptor。

六、什么是描述符

描述符 Descriptor 是 USB 设备给主机看的“说明书”。主机通过描述符了解设备是什么、有哪些功能、如何通信。

USB 设备必须正确提供描述符，否则主机不知道该加载什么驱动，也不知道如何访问设备。

常见描述符包括：

• 设备描述符 Device Descriptor
• 配置描述符 Configuration Descriptor
• 接口描述符 Interface Descriptor
• 端点描述符 Endpoint Descriptor
• 字符串描述符 String Descriptor
• 类特定描述符 Class-Specific Descriptor

1. 设备描述符

设备描述符说明整个 USB 设备的基本身份。

它包含的信息通常有：

• USB 协议版本
• 设备类别
• VID，厂商 ID
• PID，产品 ID
• 设备版本号
• 厂商字符串索引
• 产品字符串索引
• 序列号字符串索引
• 支持多少个配置

例如 CDC 虚拟串口设备会通过设备描述符告诉电脑：“我是一个 USB 设备，我的 VID/PID 是多少，我有一个配置。”

如果设备描述符返回失败，Windows 就可能报“请求 USB 设备描述符失败”。

2. 配置描述符

一个 USB 设备可以有一个或多个配置。配置描述符说明某个配置下设备需要多少电流、包含多少接口。

配置描述符里常见字段包括：

• 配置总长度
• 接口数量
• 配置编号
• 供电方式
• 最大电流

普通 MCU USB 设备通常只有一个配置。

3. 接口描述符

接口 Interface 表示设备的一个功能单元。

例如：

• HID 键盘有一个键盘接口
• U 盘有一个 MSC 接口
• CDC 虚拟串口通常有两个接口
  • 通信控制接口
  • 数据接口

接口描述符告诉主机：

• 这是第几个接口
• 接口属于哪个 USB 类
• 这个接口有几个端点
• 这个接口使用什么协议

主机通常根据接口类别加载驱动。例如看到 HID 类，就加载 HID 驱动；看到 CDC ACM 类，就加载虚拟串口相关驱动。

4. 端点描述符

端点描述符说明一个端点的传输方向、传输类型、最大包长和轮询间隔。

端点描述符常见字段包括：

• 端点地址
• 传输类型
• 最大包长
• 轮询间隔

端点地址中最高位表示方向：

• 0x01：端点 1 OUT，主机到设备
• 0x81：端点 1 IN，设备到主机
• 0x02：端点 2 OUT，主机到设备
• 0x83：端点 3 IN，设备到主机

注意：IN 和 OUT 是以主机为视角定义的。

• IN：主机从设备读取数据
• OUT：主机向设备发送数据

这点对初学者很容易反。比如0x81是 IN 端点，意思是设备通过这个端点把数据发给主机。

5. 字符串描述符

字符串描述符用于显示人类可读的信息，例如：

• 厂商名称
• 产品名称
• 序列号

例如在 Windows 设备管理器里看到的设备名称，可能就来自产品字符串。

在嵌入式 USB 协议栈中，字符串描述符通常需要以 UTF-16LE 格式返回。很多协议栈允许开发者写 ASCII 字符串，再自动转换成 USB 字符串描述符。

如果直接写 UTF-8 中文，而协议栈只按单字节 ASCII 转换，就可能显示乱码。

七、什么是端点 0

端点 0 是 USB 设备必须具备的默认控制端点。

它非常重要，因为枚举过程基本都依赖端点 0 完成。

端点 0 用于：

• 接收标准请求
• 返回设备描述符
• 返回配置描述符
• 设置设备地址
• 设置配置
• 处理类请求
• 处理厂商自定义请求

端点 0 是双向控制端点，既能 IN，也能 OUT。

如果端点 0 不能正常工作，USB 设备通常无法枚举成功。

八、USB 传输类型

USB 有四种基本传输类型：

• 控制传输 Control Transfer
• 批量传输 Bulk Transfer
• 中断传输 Interrupt Transfer
• 同步传输 Isochronous Transfer

1. 控制传输

控制传输主要用于设备管理和枚举，端点 0 默认使用控制传输。

典型用途：

• 获取描述符
• 设置地址
• 设置配置
• 获取设备状态
• 发送类请求

控制传输可靠性高，有明确的请求、数据和状态阶段。

2. 批量传输

批量传输适合大量可靠数据传输，但不保证固定延时。

典型用途：

• U 盘数据读写
• USB 打印机
• CDC 虚拟串口数据收发
• 大块普通数据传输

CDC ACM 虚拟串口的数据端点通常使用 Bulk 传输。

3. 中断传输

中断传输适合小数据量、低延迟、周期性查询的场景。

典型用途：

• 键盘
• 鼠标
• HID 设备
• CDC 通知端点

这里的“中断”不是 MCU 中断的意思，而是 USB 协议中的一种传输调度方式。

4. 同步传输

同步传输适合实时数据流，强调固定带宽和实时性，但错误重传能力较弱。

典型用途：

• USB 音频
• USB 视频

例如 USB 麦克风和摄像头通常会用到同步传输。

九、USB 类 Class

USB Class 是 USB 官方定义的一类标准设备功能。主机操作系统可以根据 Class 加载通用驱动。

常见 USB Class：

使用标准 Class 的好处是：电脑端通常已有驱动，开发者不需要自己写 Windows 驱动。

十、以 CDC 虚拟串口为例理解 USB 结构

CDC ACM 虚拟串口是 MCU 项目最常见的 USB 应用。

一个 CDC ACM 设备通常包含：

• 1 个设备描述符
• 1 个配置描述符
• 2 个接口
• 3 个端点

1. 两个接口

CDC ACM 通常有两个接口：

• 通信控制接口
• 数据接口

通信控制接口用于处理串口参数，例如波特率、DTR、RTS 等。

数据接口用于真正收发串口数据。

2. 三个端点

CDC ACM 常见端点：

• 中断 IN 端点：通知串口状态
• Bulk OUT 端点：主机发送数据给设备
• Bulk IN 端点：设备发送数据给主机

例如你的 STM32F103 CherryUSB 工程中：

• 0x83：CDC 通知 IN 端点
• 0x02：CDC 数据 OUT 端点
• 0x81：CDC 数据 IN 端点

当电脑串口助手发送数据时，数据会通过 OUT 端点到达设备。

当 MCU 回传数据时，数据会通过 IN 端点发送给电脑。

十一、USB 数据方向怎么理解

USB 里的 IN 和 OUT 都是站在主机角度看的。

这是 USB 初学者最容易混淆的地方。

所以：

• CDC_IN_EP 0x81是设备发给电脑的数据通道
• CDC_OUT_EP 0x02是电脑发给设备的数据通道

十二、USB 请求

USB 主机会向设备发送请求 Request。请求通过端点 0 控制传输完成。

请求大致分为：

• 标准请求
• 类请求
• 厂商自定义请求

1. 标准请求

标准请求是所有 USB 设备都需要支持的基础请求。

常见标准请求：

• GET_DESCRIPTOR：获取描述符
• SET_ADDRESS：设置设备地址
• SET_CONFIGURATION：设置配置
• GET_STATUS：获取状态
• CLEAR_FEATURE：清除特性
• SET_FEATURE：设置特性

枚举过程主要依赖标准请求。

2. 类请求

类请求和具体 USB Class 有关。

例如 CDC ACM 中常见类请求：

• SET_LINE_CODING：设置波特率、停止位、校验位、数据位
• GET_LINE_CODING：获取串口参数
• SET_CONTROL_LINE_STATE：设置 DTR、RTS

虽然 CDC 是虚拟串口，但 USB 传输本身并不真的依赖 UART 波特率。波特率更多是为了兼容传统串口软件的概念。

3. 厂商自定义请求

厂商自定义请求由开发者自己定义，适合实现特殊控制功能。

例如：

• 读取设备版本号
• 设置设备参数
• 进入升级模式
• 控制 LED 或继电器
• 读取内部状态

自定义请求灵活，但主机端也需要自己写对应程序。

十三、VID 和 PID

VID 是 Vendor ID，厂商 ID。

PID 是 Product ID，产品 ID。

电脑通过 VID/PID 识别不同厂商和不同产品。

正式量产产品应使用合法申请的 VID/PID。学习、测试和内部开发阶段可以使用示例 VID/PID，但不要用于商业量产。

如果多个不同设备使用相同 VID/PID 和相同序列号，Windows 可能会把它们当作同一个设备，导致驱动、COM 号或缓存状态混乱。

十四、USB 供电和电气检测

USB 接口通常提供 VBUS 5 V。设备可以从 USB 取电，也可以自供电。

描述符里会声明设备供电方式：

• Bus Powered：总线供电
• Self Powered：自供电

还会声明最大电流。例如配置描述符中写 100 mA，主机就认为设备最大从 USB 取 100 mA。

全速 USB 设备通过 D+ 上拉告诉主机设备接入。低速设备通过 D- 上拉告诉主机设备接入。

STM32F103 做 USB 全速设备时，关键硬件点是：

• PA11 接 D-
• PA12 接 D+
• USB 时钟 48 MHz
• D+ 上拉正确
• USB 线是数据线，不是纯充电线

十五、为什么复位后要重新插拔 USB

有些 STM32F103 开发板的 D+ 上拉电阻是固定接到 3.3 V 的。这样 MCU 软件复位时，电脑并不会看到 USB 设备真正断开。

结果是：

• 电脑还以为旧设备在线
• MCU 内部 USB 外设已经复位
• 主机和设备状态不同步
• 设备可能无法重新枚举

解决办法是软件模拟断开。

常见做法：

1. USB 初始化前，将 PA12 配置为 GPIO 开漏输出。
2. 拉低 PA12 一小段时间，例如 20 ms 到 100 ms。
3. 释放 PA12。
4. 初始化 USB 外设。
5. 主机检测到设备重新接入并重新枚举。

这个过程相当于让 Windows 感知一次“拔出再插入”。

十六、USB 协议栈做了什么

USB 协议栈是帮开发者处理 USB 协议细节的软件模块。

以 CherryUSB 为例，它通常负责：

• 处理 USB 标准请求
• 管理设备描述符
• 管理配置、接口和端点
• 处理端点 0 控制传输
• 处理 CDC、HID、MSC 等类请求
• 调用底层 USB 控制器驱动收发数据
• 在 USB 事件发生时通知应用层

开发者通常只需要关心：

• 写好描述符
• 注册接口和端点
• 处理接收回调
• 调用发送接口
• 实现业务协议

底层寄存器、端点状态、枚举细节由协议栈处理。

十七、USB Device 开发常见错误

1. USB 时钟错误

USB 全速设备需要 48 MHz。时钟错误会导致枚举失败。

2. D+ 和 D- 接反

PA11 是 D-，PA12 是 D+。接反后主机无法正常识别。

3. D+ 上拉问题

没有上拉，主机检测不到设备。固定上拉则可能导致复位后不能重新枚举。

4. 描述符长度错误

配置描述符总长度、接口数量、端点数量不匹配，可能导致枚举失败或驱动加载异常。

5. 端点地址不一致

代码里使用的端点地址必须和描述符里的端点地址一致。

6. 中断没有进入协议栈

USB 中断没有调用协议栈处理函数，设备无法响应主机请求。

7. HAL USB 库和第三方协议栈同时操作外设

例如同时调用 STM32 HAL PCD 和 CherryUSB，会导致 USB 寄存器状态冲突。

8. 字符串描述符编码错误

ASCII 通常安全。中文需要确保协议栈正确转换为 UTF-16LE。

9. PMA/FIFO 配置错误

对于 STM32 FSDEV，PMA 是 USB 专用包缓冲区。PMA 访问方式、端点缓冲区分配错误，会导致设备描述符或数据传输异常。

十八、学习 USB 的推荐路线

建议初学者按以下顺序学习：

1. 理解 Host 和 Device。
2. 理解枚举过程。
3. 理解描述符。
4. 理解端点和 IN/OUT 方向。
5. 理解四种传输类型。
6. 先做 CDC 虚拟串口。
7. 再做 HID 自定义设备。
8. 最后学习 MSC、DFU、Audio、Video 等复杂类。

对于 STM32F103 和 CherryUSB，最推荐从 CDC ACM 虚拟串口开始，因为它能同时覆盖：

• 设备描述符
• 配置描述符
• 接口描述符
• 端点描述符
• 控制传输
• Bulk 传输
• 类请求
• 主机驱动加载
• 应用层数据收发

十九、用一句话理解 USB

USB 不是简单的串口线，而是一套由主机统一管理的分层通信协议。

设备接入后，先通过描述符告诉主机“我是谁、我有什么功能、你该怎么和我通信”，主机完成枚举和驱动加载后，双方才通过端点进行真正的数据传输。

如果能理解“主机、设备、枚举、描述符、接口、端点、传输类型”这几个核心概念，就已经掌握了 USB 协议入门最重要的骨架