在当今数字化时代，USB 接口无处不在，它极大地方便了我们的生活和工作。本文将围绕 USB 展开，全面介绍其为方便用户使用而发展的背景，详细阐述 USB 接口的分类与定义、包括物理接口类型和标准版本，深入说明 USB 协议的作用、内容及传输过程，介绍 USB 传输的总线、相关概念和类型，还将介绍 CH375 和 CP2102 两种 USB 芯片的特点和使用注意事项。
基本介绍
USB，即 universal serial bus 通用串行总线。在 USB 出现之前，已经存在各种通信接口，但早期计算机的鼠标、键盘等需要不同的接口，这使得计算机的使用变得复杂。为了方便用户，对外的接口大部分用 USB 代替，因此它被称为通用串行总线。可以说，USB 的发展是历史趋势所需。
USB 接口
分类
按物理接口类型分，可分为 type - A、type - B、type - C（支持正反插），字母越大体积越小，如下图所示：
之所以使用不同的接口，是因为不同的应用场合有不同的需求。当然还有其他类型的接口，但由于没有以上三种常用，这里就不做介绍了。按标准分，可分为 USB1.0、USB2.0、USB3、USB4（）。不同的版本传输速率和功率不一样，数字越大，性能越优。速率和功率的提升主要是从硬件上做了改变，例如 USB 3.0 比 USB2.0 的速率快，主要是在接口上增加了 5 条线路，一路 GND，两对差分的 Rx、Tx，这实现了高速传输。
下面以 DELL 主机为例区分不同的接口标准：
是 TYPE - A 型 USB2.0 接口标准；
是 TYPE - A 型 USB2.0 接口标准，支持关机充电，不过需在 BIOS 里进行修改激活，默认为关（图标为开关机，也是此作用）；
SS (Super speed) 是 TYPE - A 型 USB3.0 接口标准，内芯一般为蓝色。相对 USB2.0，USB3.0 有 9pin，增加的 5pin 就是它提速的原因；
是 TYPE - C 型 USB3.0 接口标准。
接口定义
Type - A 和 Type - B 的管脚定义如下：供电是 5V，+D、-D 是差分数据线。差分信号 1：D+>2.8V，D - <0.3V；D±D ->200mV 为 1。差分信号 0：D ->2.8V，D+<0.3V，D±D - <-200mV 为 0。typeA 和 Type B 引脚数量和定义相同，只是引脚的空间位置不同。USB3.0 接口是可以兼容 USB2.0 的，使用 USB2.0 时，用 D+、D - ，半双工差分的方式，不过速度也会降低到 USB2.0；使用 USB3.0 时，采用 RX+、RX - 、TX+、TX - 采用全双工差分的方式。
Type - C 的引脚定义不同，比前两种更小型化，可实现正反插。type - c 接口支持 usb3.1 协议以上的。type - c 引脚定义里有 CC1、CC2，SBU1、SBU2。CC1、CC2：Configuration channel，配置通道，用来配置传输方向、供电设备、外设选择等。SBU1、SBU2：Sideband use 边带使用，适用于传输非 USB 信号，它们用于模拟音频模式，也可用于其他模式。
DFP (Downstream Facing Part) 下行端口，可以理解为 Host。UFP (UPstream Facing Part) 上行端口，可以理解为 Device，UFP 从 Vbus 中取电，并可提供数据。
USB 协议与传输
USB 协议的作用
USB 是通用接口，当它要用到其它对接的功能如串口、键盘鼠标接口时，就需要协议去安排配置每一种功能。这就分为很多 class，每一种设备都有对应的 class 地址。
USB 协议内容
USB 的传输过程
主机检测 USB 设备属性：主机检测 + D、-D 上有压差（>200mV），就认为有设备接入了。然后给设备发送一个令牌包，设备检测到令牌包后进行解析，在主机的允许下，发送自己的设备信息。
主机给设备分配地址：主机在了解设备后，根据 class 给设备分配地址。设备获得地址后，在主机的允许下，发送配置字。
主机下达任务给设备：主机在接收到设备的配置字后，开始下达事务，发送数据包。设备进行解析，完成事务。每主机与设备的交流，都需要握手包，表示对方的信息收到了。
相关概念
主机与设备的每传输都由许多事务组成，每个事务又包括许多包，每个包又由多个域组成。
事务：事务有三种，IN 事务：设备向主机发送数据；OUT 事务：主机向设备发送数据；SETUP 事务：主机向设备发送数据，但与 OUT 事务不同的是，只有一种数据形式。
包：多个包构成了事务。包有四种类型，令牌包、数据包、握手包和特殊包。
令牌包：用来启动一个事务，表示主机与设备建立沟通。可分为输入包、输出包、设置包和帧起始包。输入输出和设置包格式如下：SYNC + PID + ADDR + ENDP + CRC5（五位的校验码）。帧起始包的格式：SYNC + PID + 11 位 FRAM + CRC5（五位的校验码）。
数据包：用来传输数据。分为 DATA0 包和 DATA1 包，当 USB 发送数据的时候，当发送的数据长度大于相应端点的容量时，就需要把数据包分为多个包，分批发送，DATA0 包和 DATA1 包交替发送。但也有例外情况，在同步传输中，所有的数据包都是为 DATA0，格式如下：SYNC + PID + 0~1023 字节 + CRC16。
握手包：主机或设备用来响应接收到了数据。格式如下：SYNC + PID。
域：域是 USB 数据的单位，由若干位组成，包括同步域（SYNC），八位，值固定为 0000 0001，用于本地时钟与输入同步；标识域（PID），由四位标识符 + 四位标识符反码构成，表明包的类型和格式，USB 的标识码有 16 种；地址域（ADDR），七位地址，代表了设备在主机上的地址，地址 0000000 被命名为零地址，是任何一个设备次连接到主机时，在被主机配置、枚举前的默认地址；端点域（ENDP），四位，由此可知一个 USB 设备有的端点数量为 16 个；帧号域（FRAM），11 位，每一个帧都有一个特定的帧号，帧号域容量 0x800，对于同步传输有重要意义；数据域（DATA），长度为 0~1023 字节，在不同的传输类型中，数据域的长度各不相同，但必须为整数个字节的长度；校验域（CRC），对令牌包和数据包中非 PID 域进行校验的一种方法，CRC 校验在通讯中应用很广泛，是一种很好的校验方法，注意 CRC 码的除法是模 2 运算，不同于十进制中的除法。
其他概念：端点位于 USB 设备或主机上的一个数据缓冲区，用来存放和发送 USB 的各种数据，每一个端点都有惟一的确定地址，有不同的传输特性；帧是时间概念，它是一个独立的单元，包含了一系列总线动作，USB 将 1 帧分为好几份，每一份中是一个 USB 的传输动作；upstream、downstream (上行、下行)，设备到主机为上行，主机到设备为下行。
USB 传输
USB 总线
USB 总线是一种轮询方式总线，主机控制 usb 总线的所有数据传输。USB 系统包括三类硬件设备：USB 主机，包括 USB 系统软件，客户软件和总线接口三种功能模块，主要是一些驱动程序和界面应用软件；USB 设备，用来接收 USB 总线上的数据包；USB 集线器，是 USB 口扩展器，用来连接各种 USB 设备。
传输相关概念
USB 的传输结构由地线、电源线、D+、D - 四条线构成，D + 和 D - 是差分输入线，它使用的是 3.3V 的电压，而电源线和地线可向设备提供 5V 电压。USB 的数据传输方向是由低位到高位发送的。USB 采用不归零取反来传输数据，当传输线上的差分数据输入 0 时就取反，输入 1 时就保持原值，为了确保信号发送的准确性，当在 USB 总线上发送一个包时，传输设备就要进行位插入动作（即在数据流中每连续 6 个 1 后就插入一个 0）。
传输类型
包括四种传输类型，控制传输是一种双向传输，分为三个阶段，包括请求传输方向，发送数据，确定数据发送完成。其作用是当设备接入系统时，系统软件用于控制设备的控制命令，这种数据不允许出错或丢失。批量传输是单向传输，有优先级，通常用于发送大量数据时使用。中断传输数据流用于传输少量随机输入信号，包括事件通知信号、输入字符或坐标等。同步传输是一种实时的、不可靠的传输，不支持错误重发机制。几种传输方式的比较如下：
USB 芯片
之前在设计 USB 转串口时，就出错过，USB 芯片有两种，一种仅仅是 USB 总线接口芯片，不能在非主机时使用串口功能，如 CH375，另一种是 USB 转串口的芯片如 CP2102，下面分别介绍。
USB 接口芯片 (CH375)
下面是 CH375B 的引脚定义图：
乍一看，它有 TXD、RXD，所以很容易误以为可用作串口。但后来查看手册发现，仅仅在主机模式下，才能用作串口。当芯片放在板卡上连接到计算机时，计算机就是主机，这就意味着在很多情况下不能使用这个串口功能，容易产生误导。此芯片只能用在并口模式下，有两点需要注意：
在并口模式下，TXD 需要接地；
在 5V 供电时，数据线输出是 5V。所以若要跟处理器如 FPGA、MCU 相连，注意要进行电平转换。CH375 与计算机和处理器相连的原理框图如下：
并口方式的原理连接图如下：
USB 转串口芯片（CP2102）
此芯片包含晶振和内部 3V（内部包含 5V 到 3V 的调节器），所以供电为 5V，输出为 3V。可以看到此芯片只有串口功能，而不能进行并口通信。
