USB已经成为当今使用最广泛的计算机外设接口
USB3.0向下兼容USB2.0以及USB1.1。USB3.0理论最大可以支持5Gbit/s的传输速率（超高速模式），而USB2.0支持480Mbit/s（高速模式），12Mbit/s（全速模式）以及1.5Mbit/s（低速模式）三种传输速率，其中全速模式以及低速模式是原USB1.0规范定义的
USB有一个特性就是支持自动的驱动配置以及加载，可以做到即插即用，同时支持热插拔。相比其他接口，USB支持供电，使得设备无需单独的电源
USB2.0分为低速LowSpeed（1.5Mbps）、全速FullSpeed（12Mbps）、高速HighSpeed（480Mbps）三种，而USB3.2中的超高速为SuperSpeed（5Gbps以上）
仅研究USB2.0及以下版本
下图截自Wikipedia
其余关于USB连接器的详细介绍同样可见Wikipedia，以下只介绍常用的
Standard A
用于USB主机端，无处不在，最常用的接口
母座正视图如下，公头镜像
| 引脚 | 1 | 2 | 3 | 4 |
|---|---|---|---|---|
| 定义 | VBUS | D- | D+ | GND |
两头A型的USB线缆是非标准线缆，在使用时最好检查一下VBUS是否相连，否则极大可能会电流倒灌烧坏供电（一些山寨机顶盒刷机时，视情况要断开VBUS改用独立供电，否则可能把电脑USB口和机顶盒烧坏）
Standard B
用于USB从机端，优点是比较牢固，常见于打印机，Arduino UNO也使用了该接口
母座正视图如下，右上为1脚，逆时针
| 引脚 | 1 | 2 | 3 | 4 |
|---|---|---|---|---|
| 定义 | VBUS | D- | D+ | GND |
Micro A
用于USB主机端，常用于移动设备。方形，较为少见，目前几乎所有支持OTG的设备使用B型母座而不是A
Micro AB母座正视图如下
| 引脚 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
|---|---|---|---|---|---|
| 定义 | VBUS | D- | D+ | ID | GND |
ST的NUCLEO-144系列开发板就使用到了这种母座
USB OTG使用ID判定本设备应当作为主机还是外设。ID浮空表示外设，ID接地表示作为主机使用
Micro B
用于USB从机端，常用于移动设备。ID用于OTG功能
母座正视图如下
| 引脚 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
|---|---|---|---|---|---|
| 定义 | VBUS | D- | D+ | ID | GND |
参考USB-C
近几年流行起来的接口，其规范在2014年才初步成型。真正意义上的的通用接口，体积适中，移动设备和主机都可用，针脚多所以支持大电流，主从通用，学习了苹果的正反插理念，寿命相较脆弱的Micro口也更长了。USB-C作为通用接口的代价就是电路变复杂，包括线缆的成本也会大大增加
USB-C支持音频模式，可以传输模拟音频信号
此外由于USB-C接口支持另外4对差分信号的传输，所以也可以走HDMI和DP信号
现在大部分单片机还不能支持完整的USB-C功能（如DRP），所以在开发板设计中，一般将USB-C口的CC1和CC2引脚各自通过5.1k电阻接地，只能当作设备使用，是最常用的兼容设计方案
母座正视图如下
| 上排引脚 | A1 | A2 | A3 | A4 | A5 | A6 | A7 | A8 | A9 | A10 | A11 | A12 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 定义 | GND | TX1+ | TX1- | VBUS | CC1 | D+ | D- | SBU1 | VBUS | RX2- | RX2+ | GND |
| 下排引脚 | B12 | B11 | B10 | B9 | B8 | B7 | B6 | B5 | B4 | B3 | B2 | B1 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 定义 | GND | RX1+ | RX1- | VBUS | SBU2 | D- | D+ | CC2 | VBUS | TX2- | TX2+ | GND |
公头正视图如下
在USB-C中，设备端接口称为上行接口UFP，而主机端接口称为下行接口DFP。有些设备如手机可以作为设备或主机，这些设备使用的接口称为DRP，类似于USB-OTG
引脚概览
USB-C在引脚功能上呈现中心对称。其中一共有4个GND，4个VBUS
可以发现在USB-C母座中，高速USB信号线A6B6是相通的为D+，A7B7是相通的为D-。而在USB-C插口中，只有A6A7是有效的，分别为D+D-，而B6B7为空脚。这样避免了信号引脚重复。此外，在USB-C线缆中只有A5（CC1）是两端连通的，而在有源USB-C数据线中B5（CC2，此时为Vconn）用于数据线里芯片的供电（CC1和D+D-同一排，位于TX1RX1一侧）
除以上引脚以及4对SuperSpeed差分信号对以外，USB-C还包含了4个非常重要的引脚，分别为CC1 CC2 SBU1 SBU2（其中CC表示Configuration Channel，SBU表示Sideband Use），这些引脚会在检测插入以及正反插，设备配置，音频模式，和快充配置中起作用
此外需要注意在连通SBU的USB-C线缆中SBU1和SBU2使用交叉连接
USB-C规定Source要在CC引脚检测到接入后才能决定是否在VBUS供电
工作模式
除正常的USB模式以外，USB-C还支持Alternate Modes以及Audio Adapter Accessory Mode。其中前者用于其他协议信号的传输如HDMI，DP和数字音频（TCDA等），而Audio Adapter Accessory模式下通过D+，D-分别传输右声道，左声道的模拟音频信号，而两条SBU用于麦克风和模拟地AGND的连接
关于CC引脚
在Source供电端（一般是DFP），CC1和CC2通过电阻Rp上拉到一个电压源（也可能直接连接到一个小电流源），在连接设备后，主机会根据CC1和CC2的电压判别连接的设备类型
在Sink用电器端（一般是UFP），CC1和CC2一般需要连接下拉电阻Rd，阻值通常为5.1k
在有源线缆中，只有两端CC1连通，两端插头中的CC2各自通过电阻Ra接地（阻值通常小于等于1k，Ra指的是包含下拉电阻和芯片负载在内的最终并联阻值）。Source供电端只有在检测到CC引脚有一个对地阻值为Ra时，才会将对应引脚设为Vconn向有源数据线供电。Source和Sink都是通过CC引脚电压判定连接方向
无源线缆可能只连通CC1，而CC2可能是空引脚，也可能冒充有源线缆通过电阻Ra接地
而在非数字耳机中，CC1和CC2都通过Ra接地，将耳机连接到DFP后DFP需要将接口切换为模拟音频模式。模拟音频模式下VBUS不供电，但是可以充电
在PD中CC还会用于通信，Source和Sink通过数据线的CC1引脚使用BMC PD控制器进行PD协议通信
电路方案
普通供电Source端
最上方晶体管用于控制VBUS供电的通断
工作流程如下
没有线缆和Sink连接时，VBUS处于关断状态，同时CC引脚都通过Rp上拉
插入线缆以及Sink。Source端检测到了下拉电阻Rd后，可以选择性地将CC引脚钳位（不低于2.9v）以保护电路
Source端通过数据线的连接方向配置SuperSpeed信号线TXRX1、TXRX2的通路，判定Vconn引脚
接通VBUS和Vconn
Source可以通过改变Rp来向Sink表示其供电能力
Source检测Rd被移除，关闭VBUS，Vconn，并重新将CC引脚上拉
支持USB PD协议供电端换向的Source端电路
DRP的电路和上图基本相同，不同的是DRP在空闲状态需要不断切换上拉、下拉电阻
普通用电Sink端
工作流程如下
Sink检测到Source接通VBUS开始供电后，根据CC引脚的电压配置SuperSpeed信号线TXRX1、TXRX2的通路（Sink端没有Vconn）
Sink此时可以通过检测CC引脚的电流来判定Source端的供电能力，并可选择性地钳位CC引脚（不低于2.9v）
支持USB PD协议供电端换向的Sink端电路
| 电压电流 | |
|---|---|
| 2.0 | 5V, 500mA |
| 3.2 | 5V, 900mA |
| Type-C | 5V, 1.5A or 3A |
| PD | 20V, 5A Max, Configurable |
USB2.0规定D+D-信号线的输入输出电平如下
低速/全速
高速
主机在检测到有USB接入后，通过检测D+D-信号线上的上拉电阻来判定设备是低速还是全速。低速设备将D-上拉（阻值1.5k，上拉到3.3V），全速和高速设备将D+上拉。高速设备在连接到USB时是全速模式，之后通过一些握手信号确定高速模式
低速/全速模式下，USB中D+D-差分信号线的电平标准见下表
在数据传输（0或1）时，发送端差分信号的高电平不低于2.8V，低电平不高于0.3V；而在接收端要求差分信号的电压差至少为200mV，同时高电平引脚需要高于2.0V
单端0（
SE0）即D+D-都为低电平（不高于0.3V），表示复位，断连或数据包结束。单端1（SE1）状态不会使用到低速模式下，
J状态为差分0，K状态为差分1；而全速模式相反，J状态为差分1，K状态为差分0
Idle状态时，D+D-数据线由于设备端上拉电阻的存在会维持一定的电压。在低速模式下，D+为低电平（低于0.3V）而D-为高电平（高于2.7V）；在全速模式下，D+为高电平而D-为低电平恢复状态用于唤醒设备（Suspend到Resume），发送一个
K状态即可数据包的起始标志（
SOP）为Idle状态到K状态的跳变；而发送结束标志（EOP）时，发送端首先发送一个SE0，维持大约2个bit周期，再发送一个J，维持1个bit周期断开连接时，发现D+D-保持
SE0状态（低于0.3V）一定时间就可以判定连接断开连接时，发现
Idle状态超过一定时间就可以判定已经连接上如果想要复位，发送端发送
SE0（D+D-低于0.3V）维持10mS以上即可，而接收端发现D+D-低于0.8V超过2.5uS就可以判定发生了复位
此外，在低速模式下还有一个保持唤醒（
Keep Alive）信号，因为低速设备没有帧起始数据包所以每间隔1mS都会有一个EOP信号防止设备挂起
在USB的数据传输中，最基本的单元是包，而包由多个字段（域）组成。多个包可以组成一个事务，而多个事务组成一次传输
USB中有四大传输，分别为控制传输（Control Transfers），批量（大容量）传输（Bulk Transfers），同步传输（Isochronous Transfers），中断传输（Interrupt Transfers）
常用的通信接口例如UART，SPI，I2C都是基于NRZ的设计，这些通信接口需要依赖于额外的时钟信号线或一致的波特率来实现正确的信号传输
全速、低速模式下，USB的数据输出遵循NRZI编码（反向不归零，Non-Return-To-Zero Inverted，不是曼彻斯特编码），如下图所示
在NRZI编码中，当前数据周期如果需要表示数据为
0，那么NRZI相比之前的输出会跳变（可能是J到K或K到J。如果数据一直是0那么输出就会一直跳变）。如果需要表示1，那么输出相比前一个bit的状态维持不变这非常像T触发器（短接JK触发器的JK端得到T端）的功能。假设我们的T触发器在T端输入0时输出跳变，输入1时输出停止跳变，起始时Q输出高电平，那么在T端口送入上图的Data波形，时钟上升沿在每个Data周期的中间到来，那么就会从Q端输出和NRZI相符的波形
NRZI编码解决了时钟的同步问题。然而在极端的情况下，如果需要连续传输很多个
1，输出将会在很长一段时间内维持不变，传输了多少个1难以判别。所以USB中采用了填充法（Bit stuffing），每隔6个连续的1就会插入一个0（即便111111位于序列末尾），这样输出将会以7为周期跳变。而接收端将会自动辨别填充的0并去除
USB中所有数据都是先传输LSB后传输MSB
一个USB数据包的字段依次如以下小节所示
每一个数据包都以SYNC域开头，用于同步时钟。在低速、全速模式下SYNC域长度8bit，高速模式下SYNC域长度32bit（高速模式下允许USB Hub将SYNC头部减短，最多4bit）
低速、全速模式SYNC的格式如下，3对KJ信号对后接2个K信号
之前说过的
SOP数据包起始信号就是属于SYNC域的一部分（首个K信号。也就是说SYNC就是代表数据包的开始）
PID表示数据包的类型，长度8位，紧随SYNC之后，定义如下
PID中只有PID0~PID3表示包类型，其他的4位只是取反，用于简单的校验功能（如果两者不是相反那么就表示传输有误，接收端应当忽略）。不同PID定义如下
Token令牌包
| 名称 | Bin | Hex |
|---|---|---|
OUT |
0001 |
0x1 |
IN |
1001 |
0x9 |
SOF |
0101 |
0x5 |
SETUP |
1101 |
0xD |
Data数据包
| 名称 | Bin | Hex |
|---|---|---|
DATA0 |
0011 |
0x3 |
DATA1 |
1011 |
0xB |
DATA2 |
0111 |
0x7 |
MDATA |
1111 |
0xF |
Handshake握手包
| 名称 | Bin | Hex |
|---|---|---|
ACK |
0010 |
0x2 |
NAK |
1010 |
0xA |
STALL |
1110 |
0xE |
NYET |
0110 |
0x6 |
Special特殊包
| 名称 | Bin | Hex |
|---|---|---|
PRE |
1100 |
0xC |
ERR |
1100 |
0xC |
SPLIT |
1000 |
0x8 |
PING |
0100 |
0x4 |
Reserved |
0000 |
0x0 |
地址域定义如下，分为设备地址域Function address field和端点地址域Endpoint address field两个地址域
设备地址域长度7位（支持最多
2^7-1=127台设备），端点地址域长度4位，然而只有高速、全速设备支持16个端点地址，而低速设备只支持3个端点地址
帧号域只有在PID为SOF（帧起始包）时才会出现，长度11位，表示当前帧号。每传输一个帧，帧号自动+1，最大计数0x7FF，溢出后从0x000开始重新计数
数据域长度不定，长度从0到1024字节不等（注意以字节为单位），传输时同样是LSB在前，MSB在后
USB1.1中定义了
DATA0，DATA1两个数据包PID，而USB2.0中定义了DATA2和MDATA
Token或Data类型数据包中包含的CRC用于校验除PID以及SYNC域以外的所有数据（包含地址域）。IN，OUT，SETUP，SOF，PING以及SPLIT数据包包含一个长度为5的CRC域，而Data类型数据包包含一个长度为16的CRC域。两种CRC多项式分别如下定义
第一种多项式
0b100101，表示为16进制0x25，第二种多项式0b11000000000000101，表示为16进制0x18005
补充：循环冗余校验CRC算法
计算CRC时，设多项式长度为
k。首先在需要进行CRC校验的数据后面加上k-1个0，之后将补位的数据直接和CRC多项式模2除，最终得到长度k-1的余数，并将这k-1位余数放到数据末尾
// data是数据，poly是多项式。进行异或除法（模2除法）
const uint32_t data = 0x9A893;
const uint32_t data_len = 20;
const uint32_t poly = 0x107;
const uint32_t poly_len = 9;
uint32_t remain = data << (poly_len - 1);
uint32_t mask = poly << (data_len - 1);
uint32_t pt = 1 << (poly_len + data_len - 2);
for(int i = 0; i < data_len; i++)
{
if(pt & remain)
remain ^= mask;
pt >>= 1;
mask >>= 1;
}
printf("%x\n", remain);
// 最终需要将CRC余数和数据合并
remain |= data << (poly_len - 1);
printf("%x\n", remain);在带有CRC校验位的数据传输到接收方以后，接收方再使用实现约定的CRC多项式和接收到的数据（包含CRC位）进行模2除法。如果得到的余数不为
0，那么就表示数据有误
令牌数据包Token包括IN OUT SETUP SOF数据包
IN令牌包
表示数据从设备发送到主机，格式如下。其中最前面的SYNC和末尾的EOP省略，PID为0x96（这里的PID倒过来表示，LSB在前）
OUT令牌包
表示数据从主机发送到设备，格式同IN，PID为0x87
SETUP令牌包
数据从主机发送到设备，格式同IN，PID为0xB4
SOF令牌包
表示帧起始并给出长度为11的帧号，格式如下，没有设备地址和端点
数据包的格式如下
数据触发会用到
DATA0 DATA1，SPLIT令牌事务处理会使用到DATA0 DATA1 MDATA，高速模式会使用到DATA0 DATA1 DATA2 MDATA低速模式限制数据域最大
8字节，全速模式数据域最大1023字节，高速模式数据域最大1024字节
USB中，Data数据包分为
DATA0 DATA1 DATA2主要是用于纠错。数据包传输时会出错，握手包如NAK ACK传输时也会发生错误例如在
IN传输中，主机发送一个IN令牌，数据DATA0从设备发送到主机，主机回应一个ACK并且被设备成功接收，下一次主机发送一个IN令牌，设备将会使用DATA1数据包发送。假设主机接收到DATA0之后，发送的ACK没有被设备成功接收，设备认为主机没有发送ACK，将会再次使用DATA0进行数据的发送。此时主机本应该收到DATA1，结果发现接收到的是DATA0，判断传输出错，之后需要进行重传而如果主机没有成功接收到
DATA0，也不会发送ACK。主机将会重复发送IN令牌，此时设备依然使用DATA0发送数据，这样主机可以成功接收DATA0在数据传输时需要按照规则切换
DATA0 DATA1才能保证数据传输不出错
所有的握手包都只有一个PID，没有CRC或地址域，格式如下
ACK握手包
PID为0x4B，由接收端发送，表示已经正确接收到发送端的数据。发送端和接收端需要在这之后重新同步
NAK握手包
PID为0x5A，一般由USB设备（Function）发送，表示当前没有数据可以发送到主机或无法接收主机发来的数据。主机不会发送NAK
STALL握手包
PID为0x78，一般由USB设备（Function）发送，使用到STALL握手包时有functional stall或protocol stall两种情况。其中前者是由于端点被Halt，发送STALL表示端点无法发送或接收。主机不会发送STALL
NYET握手包
PID为0x69，用于高速模式。会在端点的PING中使用到，也会被hub使用到，表示hub还未完成或无法处理SPLIT任务
PRE特殊包
用于hub，主机告诉hub下一个数据包为低速
SPLIT特殊包
只在高速模式下可用，在令牌包之前发送，表示一个分割操作
ERR特殊包
只在高速模式下可用，由hub返回表示SPLIT出错
PING特殊包
只在高速模式下可用
USB中主要有IN OUT SETUP三大主要事务（PID表示）和SOF等其他特殊事务
三大事务IN OUT SETUP都由3个数据包构成：令牌包，数据包和握手包
令牌包总是由主机端发送，包含地址和端点信息，表示一个事务的启动
数据包用于数据的传送，可能是主机到设备或设备到主机
握手包用于表示数据已正确接收等情况
IN事务
IN事务将数据从设备发送到主机，一般由3个数据包构成，依次为：主机发出的IN令牌包，设备发出的数据包，以及主机成功接收到数据包后响应的ACK握手包。此外，如果设备在接收到IN以后无法响应，应当返回一个NAK握手包，主机此时会重复请求
OUT事务
OUT事务将数据从主机发送到设备，同样由3个数据包构成，依次为：主机发出的OUT令牌包，主机发出的数据包，以及设备成功接收到数据包后响应的ACK握手包。此外，如果设备在接收到OUT以后无法接收数据，应当返回一个NAK握手包，主机此时会重复请求
SETUP事务
SETUP事务用于建立一个控制传输，SETUP令牌后会有一个数据包。最终设备总是回应一个ACK
控制传输是非周期性传输，用于传输命令和状态。除控制传输，其余三大传输都只由IN OUT事务构成
批量传输是非周期性传输，用于大容量数据的通信
同步传输是周期性传输，是持续性的，数据中会保存有时间戳。除同步传输，其余三大传输都拥有握手包，且会不断切换数据包的PID
中断传输是周期性传输，允许通信的有限延迟