USB接口

首先看一看 USB 的接口，当你看到这些接口时，你应该知道，哦，那是 USB 接口。不然学完了USB，USB 接口都不认识那就很尴尬了。

看到这些接口是不是很熟悉？常用的接口有 Type A 接口，这个接口一般直接插在电脑上的，Type B 接口比较少见，目前比较常见的是 Mini-B、Micro-B接口，前者在 MP3 之类的设备中比较常见，当然在我们工程师中的调试器中也经常使用，后者多用于手机等设备，不过目前大部分手机接口用 Type-C接口代替了：

这种接口可以正反插，并且能提供比其它接口更大的电流，速度更快，所以今天可以看到越来越多的设备开始支持 Type-C了。我们可以看看这些接口内部的引脚分布情况（不包含 Type-C 接口，这个接口引脚很多）：

第四引脚在某些接口中可能没有，其他引脚都是存在的。Vbus 和 GND 两个硬件用于供电，提供恒定的 4.4 ~5.25 V电源（当 USB 为设备提供 5.25 V 电源时，数据线工作在 3.3 V），当设备使用总线供电时，将由这两根引脚提供所需电源，当然总线提供的电流比较有限，所以如果说总线不足以提供足够的电源，那么就需要使用外部供电。

D-、D+两个引脚用于数据传输，类似串口的Tx、Rx数据线，不同的是，USB采用差分方式传输，使用双绞线，并且在线上传输的数据编码远比串口的复杂，这个将在下节介绍。

这里需要注意一下线的颜色，一般的厂家生产USB数据线时会按照标准来生产，但是有些厂家却不一定，红色不一定是电源，黑色不一定就是地，使用的时候需要注意确认。标准的USB数据线外部一般会有屏蔽线包裹，防止外部干扰，但是有些厂家偷工减料，可能并没有屏蔽线，甚至连D-、D+数据线都没有，只提供电源线。

（图片来源于网络，外层白色包裹为屏蔽线）因为采用差分传输，并且只有两个引脚，所以总线为半双工传输，即同一时刻只能发送或接收。同时 USB 采用一主多从模式，即USB网络中只有一个主机，其他都是从机，也就是设备。

USB 历史版本

USB经过多年的发展，经历了多个版本，初始版本 1.0，于1996年完成，支持低速（LS）模式（1.5Mb/s）和全速（FS）模式（12Mb/s）。USB1.1规范于 1998 年面世，改进了 1.0，但速度上没有改变。USB2.0 在2000 年问世，增加了新的速度模式，即高速（HS）模式，最高支持 480 Mb/s。USB3.0在2008年发布，传输速率 5Gb/s。这些版本保持向后兼容的特性，即USB3.0的主机接口可以接入 USB 1.0、2.0 的设备，但是受到设备本身的速度影响，所以最终的速度由低版本速度决定。

通过数据（D+或D-）线上的上拉电阻的位置，主机可以识别低速设备和全速设备，而高速设备会在之后移除上拉电阻。

在 STM32F103 中，支持 USB 2.0接口 ，但是只支持全速模式下的2.0，即最大速度只有 12 Mb/s，换算到字节的话，只有 1.5 MB/s，除去USB本身的协议开销的话（类似串口中的起始位、结束位开销，但USB比这个复杂的多），最大有效数据带宽差不多在1.2 MB/s（我们接下来要学习的就是全速模式）。

所以不要认为 USB2.0 的接口一定支持高速模式。在 STM32F4 中，USB开始支持高速模式，并且支持 OTG，这个模式使得USB 设备既可以当做主机也可以当设备使用。现在的手机一般都支持 OTG，即通过一根转接线，即可将U盘之类的设备插入手机中使用，所以当你的手机触摸屏坏了，别着急，插上无线鼠标键盘套餐，照样玩手机。当然这只是应急使用，真正来说，没谁会随身带着鼠标键盘的。

HUB 与 USB 拓扑结构

除了常见的设备外，在 USB 网络中，还有一种特殊的设备，即 HUB（集线器），这种设备只有一个作用，就是将一个 USB 接口分成多个 USB 接口（最多 7 个）使用，这样即使你的电脑只有一个USB接口，通过 HUB，你也可以实现多个设备的连接。HUB对于用户而言是透明的（即用户在使用时不用特别去操作它），而为了实现这种透明，HUB所做的工作要比上述复杂的多。

上图是USB连接图，可以看到，通过 HUB，一个 USB 网络中可以连接非常多的设备（最多 127 个，由 USB 设备7位地址决定），并且由于集线器的时间和电缆传播的延迟，最多只能连接五个 HUB，在层次上表现为上图的 7 层（在全速和高速设备中，最大线缆长度为 5 m，低速设备限制为 3 m）。

USB网络中的所有设备（包括HUB）都有一个地址，范围 0~127，地址 0 是所有设备在接入 USB 网络时使用的默认地址，当设备完成枚举后，即可拥有新的 USB设备地址，之后所有的通信都将采用新地址通信。也就是说， USB 设备的地址是动态的，类似网络的IP地址。

USB 层次结构

下面再来看看 USB 层次结构：

在开发时，尤其是软件开发，主要的关注对象是上面两层，而底层的实现一般来说都是由硬件自动完成的，比如STM32就帮我们实现了这一层，我们只需要获取底层的数据然后进行相应的处理即可。