1. 课程导入

做 USB 虚拟串口，说白了就是让 USB 看起来像一根串口线。但在这之前，你得先搞懂 USB 到底是怎么工作的。我刚开始接触 USB 时，也被那一堆描述符搞得头晕。后来调了几个项目，才慢慢摸清门道。

这一节，咱们把 USB 最核心的几个概念过一遍。不扯太深，够用就行。

1.1 USB 总线拓扑结构

USB 的拓扑结构，其实就是一个树形结构。一个 Host（主机）下面挂一个 Root Hub，Root Hub 下面可以接设备，也可以接 Hub 再扩展。最多支持 127 个设备，包括 Hub 本身。

我画了一张拓扑图，帮你直观理解：

1.2 USB 传输类型

USB 定义了四种传输类型。每种类型适合不同的场景。CDC 虚拟串口主要用 批量传输，但控制传输也绕不开。

传输类型	特点	典型应用	CDC 中是否使用
控制传输	双向、可靠、带宽小	枚举、配置、命令	是（枚举和 CDC 管理请求）
批量传输	双向、可靠、带宽大	U盘、虚拟串口数据	是（数据收发）
中断传输	单向、可靠、低延迟	鼠标、键盘	否（CDC 不用）
同步传输	单向、不可靠、固定带宽	音频、视频	否（CDC 不用）

你想想看，虚拟串口传数据，最关心什么？可靠性和吞吐量。批量传输正好满足这两点。控制传输虽然可靠，但带宽太小，只适合传配置和命令。

1.3 USB 描述符体系

描述符，说白了就是设备的「身份证」。Host 通过枚举过程，一层层读取描述符，才知道你是什么设备、怎么用。

描述符的层级关系是这样的：

1. 设备描述符：描述整个设备的基本信息，比如 VID、PID、设备版本。
2. 配置描述符：描述一种配置模式，包括供电方式、最大电流等。
3. 接口描述符：描述一个功能接口。CDC 设备通常有两个接口：一个用于控制管理，一个用于数据收发。
4. 端点描述符：描述具体的通信端点，包括端点号、方向、传输类型、最大包长。

我画了一张描述符的层级图，帮你理清关系：

嗯，这里要注意：CDC 设备至少需要两个接口描述符。第一个接口是「通信接口」，用来发控制命令（比如设置波特率、DTR/RTS 信号）。第二个接口是「数据接口」，用来收发实际数据。

1.4 端点与管道

端点（Endpoint）是 USB 设备中最基本的通信单元。每个端点都有一个唯一的地址，由端点号和方向组成。比如 EP1 IN 表示端点 1 的输入方向（设备到 Host）。

管道（Pipe）是 Host 和端点之间的逻辑连接。说白了，管道就是一条数据通道。控制传输走默认管道（EP0），批量传输走批量管道。

CDC 虚拟串口典型的端点配置：

• EP0：控制端点，双向，用于枚举和 CDC 管理请求。
• EP1 IN：批量端点，设备→Host，用于发送数据。
• EP2 OUT：批量端点，Host→设备，用于接收数据。

1.5 枚举过程简述

枚举，就是 Host 发现并配置 USB 设备的过程。大致步骤如下：

1. Host 检测到设备插入，复位设备。
2. Host 发送 Get_Descriptor(Device) 请求，读取设备描述符。
3. Host 再次复位，并设置地址（Set_Address）。
4. Host 读取配置描述符（包括接口和端点描述符）。
5. Host 选择配置（Set_Configuration）。
6. 设备进入配置状态，可以开始通信。

对于 CDC 设备，枚举完成后，Host 还会加载 CDC 驱动，然后虚拟出一个 COM 口。这个过程在 Windows 上需要 CDC 驱动（usbser.sys），在 Linux 上通常自带 cdc_acm 驱动。