第1章　USB基礎知識

通用串行總線（Universal Serial Bus, USB）是由英特爾（Intel）、康柏（Compaq）、國際商業機器（International Business Machines, IBM）、微軟（Microsoft）、北方電訊（Northern Telecom）等計算機與通信公司于1995年聯合制定，并逐漸形成行業標準的數據通信方式，現如今已經廣泛替代了笨重的串口（RS232、RS485）與并口，成為21世紀大量計算機和智能設備的標準擴展與必備接口之一。可以這么說，現在幾乎每一臺個人計算機（Personal Computer, PC）與安卓（Android）智能手機都配備了USB接口，相應的圖標如圖1.1所示。

為方便后續行文，我們先了解一下USB系統的基本架構，它由主機（Host）、設備（Device）與互連電纜（Interconnect）三部分組成，如圖1.2所示。

最常見的USB主機就是PC，它主導著整個USB系統的數據傳輸。USB設備實在太多了，日常生活中使用頻繁的包括智能手機、U盤、移動硬盤、數碼相機、打印機、游戲手柄、攝像頭、網卡等。當然，作為工程師的你還可能會購買邏輯分析儀、示波器、噪聲計等其他一些使用USB接口的儀器儀表。對于現階段的我們，僅需要特別注意主機與設備之間的主要區別：主機可以向設備發送數據，設備也可以向主機發送數據，但USB系統的數據傳輸只能由主機啟動，設備只是根據主機的需要被動響應。在任何時候，USB系統僅允許存在一個主機。通俗來講，USB設備就是“傀儡”，它什么時候做什么完全取決于USB主機，不能擅自做主。我們進一步將從主機往設備方向的數據傳輸稱為下行（Downstream）通信，反之則稱為上行（Upstream）通信。也就是說，上行與下行的定義是以主機為參考的。

由于USB系統的數據傳輸存在于主機與設備之間，也就意味著：設備與設備、主機與主機之間無法直接進行數據傳輸，這可能會帶來一些應用上的不便。例如，我想將數碼相機中的照片保存到移動硬盤，通常需要將它們都與PC連接后，再將照片復制到移動硬盤中。但如果在野外進行拍攝作業，也就意味著還需要另外攜帶一臺主機（或存儲空間足夠大的存儲卡）。為解決此問題，后來增加的USB OTG（On The Go）標準則允許設備切換成為主機，這樣就能夠實現數碼相機與移動硬盤之間數據的直接傳輸，現在很多智能手機也支持USB OTG功能。

USB互連線纜通常包含4條線（USB OTG標準增加了一條區分主機與設備身份的信號線，本書不涉及），即用于電源供電的VBUS與GND，以及用于數據傳輸的雙向差分信號線D+與D-（有時也稱D+與D-，即Plus與Minus），如圖1.3所示。

那么USB為何能夠風靡全球呢？當然是由于它易于使用，這主要體現在USB安裝配置便捷、兼容性好、傳輸速度快、端口擴展簡易、供電簡單、接口體積小等方面。

安裝配置便捷主要體現在USB支持熱插拔（Hot Swap）與即插即用（Plug and Play, PnP），這兩點對于提升用戶體驗非常重要。USB接口支持熱插拔，意味著在PC處于上電狀態下可以隨時斷開或連接USB設備，而不會對PC或外部設備造成損傷，但以前的老式接口一般不允許這么做。使用過PS/2（Personal System 2）接口鼠標（或鍵盤）的讀者應該知道，如果在PC開機后再插入PS/2接口鼠標，操作系統很有可能無法識別（需要重啟）。有些主板還需要按指定顏色將鼠標插入指定的接口，插錯了也是識別不了的，其他串口或并口也是如此。但使用USB鼠標（或鍵盤等其他USB設備）卻不一樣，PC開機后，隨時插入，隨時可以使用，而且PC所有的USB接口都可以任意插入（只要硬件接口類型對應即可，并不限定必須插入到哪一個USB接口），如圖1.4所示。

USB接口的一些設計細節就是為了實現支持熱插拔的，其內部共有4根金屬導體（可以稱為“金手指”），外側兩根較長的分別是供電電源線VBUS與GND，內側兩根較短的分別是數據線D+與D-，如圖1.4（b）所示。當我們將USB設備插入主機時，外側電源線首先連接并對設備進行供電，而中間的數據線能夠在通電狀態下進行數據交換。相反，當從主機拔出設備時，則先斷開數據傳輸，確保數據不會因斷電而丟失，然后再將設備電源切斷，這樣也就能夠保證在插拔過程中對主機系統及USB設備不產生影響。而USB設備在與主機連接后能夠馬上使用，是因為支持PnP的Windows操作系統（本書如無特別說明，均針對Windows操作系統）會為插入的USB設備選擇與加載合適的驅動程序（后續還會進一步詳細討論）。

兼容性好也是注重用戶體驗的重要表現。USB的最初版本為1.0，之后依次經歷了1.1、2.0、3.0、3.1、3.2、4.0等版本，兼容性好就意味著新版本兼容舊版本（通俗地說，如果舊版本能用，那么新版本也能用），即向后兼容（Backward Compatibility）。例如，你有一個舊的USB鼠標，其USB總線版本為1.0，那么即便與USB 2.0主機連接，同樣可以正常使用，是不是非常方便！實際上，USB 2.0的低速與全速分別對應USB 1.0與USB 1.1版本，只不過更換了一個名稱而已。各種USB總線版本及其特點如表1.1所示，其中，“bps”表示比特率（bit per second），即單位時間內傳輸的比特數。

從嚴格意義上來講，USB 2.0就代表著“支持高速模式”，至少當提到“USB 2.0主機”時通常是如此。但是由于USB向后兼容的特性，很多廠商給不支持高速模式的USB芯片或設備也冠名了“USB 2.0”，只是會換成類似“與USB 2.0規范全速兼容”的宣傳方式（本質是USB 1.1），本書使用的STM32F103x系列單片機就是這樣。換句話說，在實際應用中，我們無法僅從“USB 2.0”字樣獲得芯片或設備真正支持的速率。本書如無特別說明，所述內容均針對USB 2.0。

USB 3.0及以上版本的命名比較多，普通用戶不容易分辨清楚，因為官方在發布USB 3.1時進行了一次版本重命名，也就是將原來的USB 3.0更改為USB 3.1 Gen 1，表示第一代（Generation）USB 3.1；原來的USB 3.1則更改為USB 3.1 Gen 2，表示第二代USB 3.1。如果這還不足以讓你感到混亂，官方在發布USB 3.2時又開始了新一輪如表1.1所示版本的重命名。簡單地說，USB 3.0、USB 3.1 Gen 1、USB 3.2 Gen 1是一個“東西”，USB 3.1、USB 3.1 Gen 2、USB 3.2 Gen 2也是一個“東西”。也就是說，以后沒有USB 3.0、USB 3.1的官方說法了，USB 2.0后面直接就是USB 3.2，本書描述過程中也同樣遵循最新官方命名規則。如果某個商家使用類似“我這個USB 3.1接口鐵定比別家USB 3.0接口的數據傳輸速率要快呀”之類的說法對你進行連番營銷轟炸，請務必打起十二分精神，可不要被“忽悠”了。

剛剛提到的“官方”指的是USB開發者論壇（USB Implementers Forum, USB-IF），它是由USB規范制定公司建立的非營利性組織，致力于推廣并發展USB技術，其官方網站為www.usb.org，本書涉及的所有USB相關規范均可從該網站免費下載。

值得一提的是，現如今USB 1.1與USB 1.0設備已經越來越少了，支持更高傳輸速率的USB4（不是USB 4.0，之間也沒有空格）也將不再兼容。

傳輸速度快也是USB應用廣泛的主要因素之一，它的數據傳輸速率也許不是所有總線中最快的，但對于大多數應用已經足夠。USB 2.0版本支持低速、全速與高速三種速率規格，相應的理論最大數據傳輸速率分別為1.5Mbps、12Mbps與480Mbps，更加令人興奮的是，最新的USB4規范支持的傳輸速率可達到40Gbps。雖然USB實際有效數據傳輸量小于理論最大傳輸速率（因為總線狀態、控制與錯誤監測等功能也需要一定的數據開銷），但USB 2.0最大傳輸速率仍然可超過50Mbps（總線空閑時最快傳輸類型的理論值），遠高于一般的串口。

供電簡單能夠簡化USB設備的硬件設計。以往我們使用的串口或并口只是單純地作為通信之用，這意味著產品需要單獨的電源輸入，增加了系統的復雜度（你至少得增加電源電路）。而從表1.1可以看到，USB接口都可以向外提供一定功率的電源。例如，USB 2.0的輸出電壓為5V，輸出電流的最大值為500mA，如果USB設備消耗的功率不超2.5W，則可以使用USB接口直接供電，USB鼠標與鍵盤就是典型應用。從USB 3.2 Gen 1開始，USB接口的供電功率進一步提升到了4.5W，USB 3.2 Gen 2則將電力傳輸協議進行了重新設計，支持USB功率傳輸（Power Delivery, PD）的設備可以提供最大100W的輸出功率，可以實現快速充電的功能。

端口擴展能力對于很多用戶也很重要。以前的PC通常最多會各配置一個并口與RS232串口，假設使用并口連接打印機，那如何連接其他也使用并行接口的產品呢？如果不嫌麻煩，就拔下來重新插入。即便具備高技術水平的你有能力設計一個并口擴展模塊，但對于大多數普通人而言卻并不太現實。更何況，最新的PC已經不再提供串口與并口了。

再如，以往進行單片機開發時會使用串口，但是通常PC只會攜帶一個，很有可能出現不夠用的情況。現在應用非常廣泛的USB轉串口設備卻可以將串口取而代之，能夠接入的USB轉串口設備的數量僅取決于USB可用接口，而USB可用接口則可以通過USB集線器（Hub）輕松進一步擴展，它與網絡集線器的功能相似。例如，學校每個寢室都有很多人，每個人都有一臺PC，但網絡電纜只有一根，怎么辦？用網絡集線器就可以解決這個問題！USB集線器存在的意義也是相似的，相應的擴展連接如圖1.5所示。

USB設備按功能可分為兩大類：一類為USB集線器（Hub），另一類為USB功能（Function）設備。前面提到USB設備（除USB集線器外）都屬于功能設備，它們都各自提供了一些特定的功能。例如，U盤能夠存儲數據，示波器能夠采集數據。大多數情況下，我們所做的開發工作都是針對USB功能設備的。本書如無特別說明，涉及的“設備”就是指功能設備。

理論上，USB主機可以通過USB集線器擴展最多127個下行接口，但USB集線器的級聯層數也是有限制的，USB 1.1與USB 2.0分別最多可支持4層與6層（不含最后一級功能設備），主機的根集線器（Root Hub）也視為一層，USB 2.0的擴展拓撲結構如圖1.6所示。

這是一種階梯式星形（Tiered Star）拓撲的USB擴展結構，每一個星形中心就是一個USB集線器（控制芯片），而每個USB集線器都只有一個上行口，進行擴展時只需要將其與上一級USB集線器的下行口連接即可。組合（Compound）設備則是將一個或多個功能設備與集線器組合在一起，其本質也是將功能設備與集線器下行口連接，我們可以將其理解為不可拆卸的功能（Non-removable Function）設備。例如，現在推出一個自帶U盤的集線器，它將U盤功能設備與集線器的某一個下行口連接（在產品外面看不到），其他下行口則開放給用戶作為集線器使用，這就是一個組合設備。

一般廠家在設計USB 2.0集線器產品時會使用同一款芯片，但是比較常用的USB集線器控制芯片只有4個或7個下行口（也就是我們所說的“1拖4”與“1拖7”），為了擴展更多的下行口，只能采用多個USB集線器控制芯片級聯的方式，但是在擴展時要注意：下行接口的總數量不能超過127個，并且集線器級聯的層數不能大于5（對于USB 2.0主機，因為根集線器也占用了一層）。圖1.7（a）為正確的“1拖32”集線器級聯方案，圖1.7（b）擴展的下行接口數量雖然沒有超過127個，但USB集線器的級聯層數已經超過5，屬于錯誤的級聯方式。

盡管USB的優點很多，但也不是完美的，它的傳輸距離有限，一般不大于5m，但是對于一般的應用已經足夠了，而且可以通過級聯集線器的方式進一步擴展傳輸距離。另外，USB的易用性是以更復雜的協議為代價的，開發過程相較于以往的串并行接口更復雜一些，而本書的目的就是為了輕松解決該問題，你不必有任何學習上的負擔。

USB物理接口的具體類型有很多種，它們都有自己適用的不同場合。USB 2.0常用的母口（Female）連接器也稱為插座（Receptacle），如圖1.8所示。絕大多數PC配備的都是呈矩形的A型（Type A）母口，而呈方形的B型（Type B）母口則多用于設備（如打印機、投影儀、掃描儀等）。迷你（Mini）母口的使用已經越來越少了，微（Micro）B型母口的應用則越來越多（A型母口已經淘汰），因為其體積更小，在本書尚未出版前，它也是絕大多數安卓智能手機的標配接口。另外，公頭與母口是配對使用的，也稱為插頭（Plug），不匹配的公頭是無法與母口連接的，具體規格可以參考USB 2.0規范，此處不再贅述。

USB 3.2又增加了幾種連接器，如圖1.9所示。其中，A型與B型接口與USB 2.0是兼容的，只不過增加了USB 3.2獨有的兩對差分線（分別輸入與輸出）引腳。微B（A）型接口看似有些“奇葩”，其實它由兩部分組成，主要是為了兼容USB 2.0的微B（A）型接口，因為較長的那部分與USB 2.0標準的微B（A）型接口定義是一致的，但是由于其體積比較大，這種接口的應用非常少。C型接口應該是大勢所趨，其體積與USB 2.0微B型接口相似，但支持更多可用于USB 3.2的數據線，而且接口沒有正反方向區分（Reversible）。在本書尚未出版前，已經有不少廠家開始將這種接口應用于智能手機，但是這并不意味著一定支持USB 3.2規范，它只不過使用了物理接口中用于USB 2.0的數據線而已。