1. USB协议基础：总线架构、角色与电气特性

做嵌入式USB开发，第一件事不是翻数据手册，而是搞明白USB到底是怎么连的、谁说了算、信号长什么样。我见过不少工程师，上来就调端点、配描述符，结果枚举死活过不去——最后发现是D+、D-两根线焊反了。嗯，基础不牢，后面全是坑。

1.1 USB总线架构：树形拓扑与分层结构

USB总线是典型的树形拓扑。一个Host（主机）下面挂一个Root Hub，Root Hub下面可以接Hub，Hub再接设备。最多支持7层（包括Root Hub在内）。

我画了一张图，帮你快速建立整体认知：

1.2 USB主机与设备角色

USB系统里只有两种角色：Host（主机）和Device（设备）。没有对等通信，没有主从切换。Host永远是老大。

1.2.1 主机（Host）

• 谁当Host？PC、笔记本电脑、手机（OTG模式下）、开发板（如i.MX、STM32MP1）
• Host干什么？检测设备插入/拔出、管理总线供电、分配地址、发送请求、调度传输
• Host的核心硬件：Host Controller（如EHCI、xHCI），负责把软件请求转成USB总线信号

1.2.2 设备（Device）

• 谁当Device？U盘、鼠标、键盘、传感器、嵌入式从设备
• 设备干什么？响应Host的请求、报告自身能力（通过描述符）、传输数据
• 设备的核心硬件：USB Device Controller（如STM32的USB IP、Cypress FX2）

对比项	Host（主机）	Device（设备）
通信发起	主动发起所有事务	被动响应
供电角色	提供VBUS电源（5V）	从VBUS取电
地址分配	分配唯一地址（1-127）	接收地址
时钟源	提供SOF（帧起始）包	同步SOF
典型硬件	EHCI/xHCI控制器	USB Device IP核

1.3 USB物理层信号与电气特性

搞懂物理层，你才能看懂示波器上的波形。USB用一对差分信号线（D+和D-）传输数据，再加上VBUS（5V电源）和GND。

1.3.1 信号线定义

• VBUS：5V电源线，Host提供，设备取电。最大电流：USB 2.0为500mA，USB 3.0为900mA
• D+：差分数据正极
• D-：差分数据负极
• GND：地线

1.3.2 差分信号与电平标准

USB用差分信号传输，抗干扰能力强。说白了，就是看D+和D-的电压差来判断是1还是0。

信号状态	D+电平	D-电平	说明
J状态（Idle）	高（>2.8V）	低（<0.3V）	全速/高速设备空闲时
K状态	低	高	与J状态相反
SE0	低	低	复位信号、包结束（EOP）
SE1	高	高	非法状态，不应出现

1.3.3 速度识别机制

USB设备插入后，Host怎么知道它是什么速度？靠的就是D+或D-上的上拉电阻。

• 低速（1.5 Mbps）：设备在D-线上拉1.5kΩ到3.3V
• 全速（12 Mbps）：设备在D+线上拉1.5kΩ到3.3V
• 高速（480 Mbps）：设备先以全速模式上拉D+，然后通过Chirp握手协商切换到高速

你想想看，Host检测到D+或D-被拉高，就知道有设备插入了。然后开始复位总线、分配地址、读取描述符——这就是枚举的起点。

1.3.4 电气特性关键参数

参数	低速	全速	高速
数据速率	1.5 Mbps	12 Mbps	480 Mbps
驱动电压	3.3V	3.3V	400mV（差分）
终端电阻	无	无	D+/D-各对地45Ω
上拉电阻位置	D-	D+	D+（初始）
电缆最大长度	3m	5m	5m

1.4 枚举的起点：设备插入检测

把上面这些串起来，你就知道枚举的第一步发生了什么：

1. 设备插入，VBUS上电
2. 设备通过上拉电阻拉高D+（全速）或D-（低速）
3. Host的Root Hub检测到D+/D-电平变化
4. Host通知USB驱动程序：有新设备
5. Host发送复位信号（SE0持续至少10ms）
6. 设备在复位结束后进入默认地址0状态
7. 枚举正式开始...