USB 2.0 协议基础

USB 2.0 是 2000 年发布的高速串行总线规范，向下兼容 USB 1.1。本文从物理层、协议层、传输类型、设备模型到电源管理，梳理 USB 2.0 的核心机制。

一、概述

1.1 速率等级

速率	代号	传输率	线缆长度上限
低速 Low-Speed（LS）	USB 1.0/1.1	1.5 Mbps	3 m
全速 Full-Speed（FS）	USB 1.1	12 Mbps	5 m
高速 High-Speed（HS）	USB 2.0	480 Mbps	5 m

1.2 拓扑结构

USB 总线为主机（Host）— 集线器（Hub）— 设备（Device）的树形拓扑：

系统中只有 1 个 Host，负责发起所有事务；
设备通过 Hub 级联接入，最多 7 层；
挂载设备最多 127 个（7 bit 地址，地址 0 保留给默认地址）。

1.3 最大包长

速率	控制 CTRL	批量 BULK	中断 INTR	等时 ISOC
LS 1.5 Mbps	8	-	8	-
FS 12 Mbps	8 / 16 / 32 / 64	64	64	1023
HS 480 Mbps	64	512	1024	1024

低速不支持批量与等时传输；控制传输在低速下最大包固定为 8。

二、物理层与电气特性

2.1 线缆与信号定义

USB 线缆共 4 根线：VBUS（5 V 电源）、D+ / D-（差分数据）、GND。

差分 1 / 差分 0：D+ 与 D- 的差分电压表示逻辑状态；
SEO（Single-Ended Zero）：D+ 与 D- 同时为低，用于表示 EOP（包结束）；
J / K 状态：空闲态为 J，K 为 J 的反相；
EOP 期间线路回到 J 状态。

2.2 NRZI 编码与位填充

NRZI（Non-Return-to-Zero Inverted，反向不归零编码）：逻辑 0 电平翻转，逻辑 1 电平保持；
位填充（bit-stuffing）：为避免长时间无翻转导致接收端无法恢复时钟，当数据中出现连续 6 个 1 时，强制在第 6 个 1 后插入一个 0，使信号强制翻转。

2.3 速度协商

上电后：FS 设备在 D+ 上拉 1.5 kΩ，LS 设备在 D- 上拉，主机据此识别速度；
复位期间（SE0 ≥ 10 ms）：具备高速能力的设备会先释放上拉，再以 Chirp K/J 序列与主机握手；
握手成功则切换为 480 Mbps 高速，否则以 FS 工作。

2.4 供电

VBUS 额定 5 V（4.75 ~ 5.25 V），1 个单位负载 = 100 mA；
低功耗设备 ≤ 100 mA；高功耗设备在完成配置（SetConfiguration）后可取电 ≤ 500 mA；
挂起（Suspend）状态电流降至毫安级以下（低功耗设备规范要求 ≤ 500 µA），可通过远程唤醒（Remote Wakeup）恢复。

2.5 帧与微帧

全速：每 1 ms 一帧；高速：每 125 µs 一微帧；
每个帧/微帧以 SOF 包开始，帧号（Frame Number）为 11 bit，每帧递增 1。

三、协议层

3.1 包字段（域）

Sync 同步字段

所有包必须以同步字段开始，用于接收端与发送端时钟同步：

LS / FS：8 bit；HS：32 bit；
最后两位指示 PID 字段的起始位置。

PID 包标识符

PID 本身 4 bit，为避免误码将 4 bit 取反后重复，构成 8 bit 的 PID；
后 4 位是前 4 位的取反。

常用 PID 列表：

PID	二进制值	含义
OUT	0001	主机→设备令牌
IN	1001	设备→主机令牌
SOF	0101	帧起始
SETUP	1101	控制传输 Setup 令牌
DATA0	0011	数据包 0（偶数包）
DATA1	1011	数据包 1（奇数包）
DATA2	0111	高速等时第 2 个微帧数据
MDATA	1111	高速等时第 3 个微帧数据
ACK	0010	接收成功确认
NAK	1010	设备暂不能收发
STALL	1110	端点停止，需主机干预
NYET	0110	尚未就绪（高速）
PRE	1100	低速前导
SPLIT	1000	高速分叉事务
PING	0100	高速流控探测
EXT	0000	扩展

ADDR 设备地址

7 bit，可表示 0 ~ 127；
地址 0 保留，设备复位后默认地址为 0，枚举时由 SET_ADDRESS 分配新地址。

ENDP 端点号

4 bit，共 16 个端点（0 ~ 15）；
低速设备除默认管道（EP0）外最多再有 2 个端点（共 4 个）。

CRC 校验

令牌包（Token）：5 bit CRC；
数据包（Data）：16 bit CRC。

EOP 包结束

由 SEO 信号电平表示，见信号定义。

3.2 包类型

令牌包 Token Packet

令牌包共 3 种，均由主机发出：

IN：告知设备主机希望读取数据；
OUT：告知设备主机将发送数据；
SETUP：用于开始控制传输。

格式：Sync | PID | ADDR(7) | ENDP(4) | CRC5 | EOP

数据包 Data Packet

两种数据包：DATA0、DATA1（高速另有 DATA2、MDATA）；
单包最大负载：LS 8 B、FS 1023 B、HS 1024 B；
数据必须以字节为单位发送。

格式：Sync | PID | DATA(0 ~ 1024 B) | CRC16 | EOP

握手包 Handshake Packet

握手包只有 PID，共 3 种：

ACK：确认数据包接收成功；
NAK：设备暂时无法发送/接收数据；也用于中断事务中告知主机暂无数据；
STALL：设备处于需要主机干预的状态（端点停止）。

格式：Sync | PID | EOP

SOF 帧起始包

由主机每 1 ms ± 500 ns（FS）或每 125 µs ± 0.0625 µs（HS）发送；
携带 11 bit 帧号。

格式：Sync | PID(SOF) | Frame Number(11) | CRC5 | EOP

四、事务与传输类型

USB 事务由 令牌（Token）→ 数据（Data，可选）→ 握手（Handshake，可选） 三个阶段组成。四种传输类型特性对比如下：

特性	控制 Control	中断 Interrupt	等时 Isochronous	批量 Bulk
典型用途	枚举、命令、状态	键盘、鼠标、HID	音频、视频	存储、U盘、打印
保证带宽	-	-	✅	-
保证延迟	-	✅	✅（有界）	-
保证交付	✅	✅（重试）	-（无重试）	✅（重试）
管道类型	消息管道（双向）	流管道（单向）	流管道（单向）	流管道（单向）
数据切换 DATA0/1	✅	✅	-	✅
低速支持	✅	✅	-	-

4.1 控制传输 Control Transfers

控制传输分三个阶段：

Setup 阶段：SETUP 令牌 + DATA0（固定 8 字节请求）+ ACK；
Data 阶段（可选）：IN/OUT 传输数据，首个数据包为 DATA1，随后 DATA0/DATA1 交替；
Status 阶段：确认整个传输完成（IN 传输用 OUT 空包，OUT 传输用 IN），固定 DATA1。

4.2 中断传输 Interrupt Transfers

保证延迟：主机按 bInterval 轮询，延迟有上限；
流管道，单向；
错误检测 + 下一周期重试。

4.3 等时传输 Isochronous Transfers

保证带宽访问；
延迟有界；
流管道，单向；
CRC 检错但不重试、不保证交付；
仅 FS / HS；
无数据切换（DATA0/1）。

4.4 批量传输 Bulk Transfers

用于传输大量突发数据；
CRC 检错 + 保证交付（自动重试）；
不保证带宽与最小延迟；
流管道，单向；
仅 FS / HS。

五、设备模型

设备状态机：

状态	说明
Attached	设备接入总线
Powered	检测到 VBUS，上电
Default	复位完成，地址 0，功耗 ≤ 100 mA
Address	收到 SET_ADDRESS 并完成 Status 阶段
Configured	收到 SET_CONFIGURATION（非零），可使用全部端点
Suspended	总线空闲 ≥ 3 ms，进入挂起（任何非 Attached 状态都可能进入）

5.1 标准请求

所有请求通过默认控制管道发送，Setup 包固定 8 字节：

偏移	字段	大小	说明
0	bmRequestType	1	D7 方向（0=主机→设备，1=设备→主机）；D6:5 类型（0 标准/1 类/2 厂商/3 保留）；D4:0 接收者（0 设备/1 接口/2 端点/3 其他）
1	bRequest	1	具体请求（见下表）
2	wValue	2	随请求变化
4	wIndex	2	索引/偏移（端点或接口）
6	wLength	2	Data 阶段字节数（0 表示无 Data 阶段）

11 个标准请求

请求	bRequest 值	说明
GET_STATUS	0	返回设备/接口/端点状态（2 字节）
CLEAR_FEATURE	1	清除特性（如 ENDPOINT_HALT、DEVICE_REMOTE_WAKEUP）
SET_FEATURE	3	设置特性（含 TEST_MODE）
SET_ADDRESS	5	设置设备地址（Status 完成后才生效）
GET_DESCRIPTOR	6	读取描述符
SET_DESCRIPTOR	7	更新/添加描述符（可选）
GET_CONFIGURATION	8	返回当前配置值
SET_CONFIGURATION	9	设置配置（0=回到 Address 状态）
GET_INTERFACE	10	返回接口当前 alternate setting
SET_INTERFACE	11	选择接口 alternate setting
SYNCH_FRAME	12	设置并报告端点同步帧（等时用）

标准特性选择器（Feature Selectors）

特性	接收者	值
ENDPOINT_HALT	端点	0
DEVICE_REMOTE_WAKEUP	设备	1
TEST_MODE	设备	2

请求处理超时：无 Data 阶段的标准请求 50 ms；需返回数据的首个数据包 500 ms；主机→设备数据 5 s 上限。
SetAddress 后需 2 ms 恢复间隔；复位/恢复后需 10 ms 恢复间隔。
无效/不支持请求 → 在 Data 或 Status 阶段返回 STALL（Request Error）。

5.2 描述符（Descriptors）

描述符是带格式的数据结构，每个描述符以 bLength（长度）+ bDescriptorType（类型）开头。
设备通过描述符报告自身属性；字符串描述符可选，引用字段必须存在（不支持则置 0）。

标准描述符类型

类型	值
DEVICE	1
CONFIGURATION	2
STRING	3
INTERFACE	4
ENDPOINT	5
DEVICE_QUALIFIER	6
OTHER_SPEED_CONFIGURATION	7
INTERFACE_POWER	8

设备描述符（Device，18 字节）

偏移	字段	大小	说明
0	bLength / bDescriptorType	1+1	18 / DEVICE
2	bcdUSB	2	USB 规范版本（2.0 = 0200H；高速设备必须为 0200H）
4	bDeviceClass / bDeviceSubClass / bDeviceProtocol	1+1+1	设备类/子类/协议（0=接口各自定义，FFH=厂商自定义）
7	bMaxPacketSize0	1	端点 0 最大包（仅 8/16/32/64；高速必须为 64）
8	idVendor	2	厂商 ID
10	idProduct	2	产品 ID
12	bcdDevice	2	设备版本（BCD）
14	iManufacturer / iProduct / iSerialNumber	1+1+1	字符串描述符索引
17	bNumConfigurations	1	配置数量（当前速度）

设备限定符（Device_Qualifier，10 字节）

描述高速设备在另一速度下会变化的信息（类/子类/协议、端点 0 最大包、配置数）。
仅高速能力设备支持；全速单速设备收到请求应返回 Request Error。

配置描述符（Configuration，9 字节）

偏移	字段	大小	说明
0	bLength / bDescriptorType	1+1	9 / CONFIGURATION
2	wTotalLength	2	配置+接口+端点+类/厂商描述符总长度
4	bNumInterfaces	1	接口数
5	bConfigurationValue	1	SetConfiguration 用值
6	iConfiguration	1	字符串索引
7	bmAttributes	1	D7=1（保留）；D6 自供电；D5 远程唤醒
8	bMaxPower	1	最大总线耗电，单位 2 mA（50 = 100 mA）

GetDescriptor(Configuration) 会一次性返回配置、所有接口、端点及类/厂商描述符。

接口描述符（Interface，9 字节）

偏移	字段	说明
0	bLength / bDescriptorType	9 / INTERFACE
2	bInterfaceNumber	接口号（从 0 起）
3	bAlternateSetting	备用设置号（默认 0）
4	bNumEndpoints	端点数量（不含端点 0）
5	bInterfaceClass / bInterfaceSubClass / bInterfaceProtocol	类/子类/协议
8	iInterface	字符串索引

端点描述符（Endpoint，7 字节）

偏移	字段	说明
0	bLength / bDescriptorType	7 / ENDPOINT
2	bEndpointAddress	bit3:0 端点号；bit7 方向（0=OUT，1=IN；控制端点忽略）
3	bmAttributes	bit1:0 传输类型（00 控制/01 等时/10 批量/11 中断）；等时端点 bit3:2 同步类型、bit5:4 用途
4	wMaxPacketSize	bit10:0 最大包（字节）；高速等时/中断 bit12:11 每微帧额外事务数（00=1 次，01=2 次，10=3 次）
6	bInterval	轮询周期：全/低速中断 1~255（帧）；全/高速等时与高速中断为 2^(bInterval-1)（帧/微帧）

字符串描述符（String）

语言 ID 通过 wIndex 指定；UTF-16 编码。

5.3 设备枚举流程（Device Enumeration）

上电（→ Powered）：设备接入并得到 VBUS 供电。
复位（→ Default）：主机发出复位信号（≥ 10 ms）；期间完成速度协商（D+/D- 上拉 + 高速 chirp）；复位结束进入 Default：地址 0、耗电 ≤ 100 mA。
读设备描述符前 8 字节：经地址 0 发 GET_DESCRIPTOR，先只读 8 字节，得到 bMaxPacketSize0（据此确定后续 EP0 包大小）。
读完整设备描述符：按 bMaxPacketSize0 读全 18 字节。
分配地址（SET_ADDRESS → Address）：发 SET_ADDRESS(1~127)，设备在 Status 阶段完成后才切换新地址。
读配置描述符：用新地址发 GET_DESCRIPTOR(Configuration)，按 wTotalLength 读全配置 + 接口 + 端点描述符。
选择配置（SET_CONFIGURATION → Configured）：发 SET_CONFIGURATION(非零值)，设备进入 Configured，可按描述符从 VBUS 取电（可 > 100 mA）。