支持作者，点击京东购买作者创作书籍《Yocto项目实战教程：高效定制嵌入式Linux系统》
USB（Universal Serial Bus）是现代嵌入式系统和通用计算平台中的关键通信接口，它以其即插即用、统一协议、多种速率等级和强大的主从控制能力成为设备通信的核心。本文聚焦 USB 的硬件原理与电气架构，旨在为工程师提供准确、完整的底层知识体系。
一、USB 接口与物理连接
1.1 USB 接口类型
USB 接口主要分为以下几种：
类型常见形态用途USB-A主机侧接口，矩形台式电脑、嵌入式主板 Host 口USB-B设备侧接口，方形打印机、工业控制设备Micro-USB / Mini-USB小型设备接口老式手机、嵌入式板卡USB-C可正反插、支持 OTG/PD新一代手机、开发板、笔记本
1.2 USB 线缆结构
VBUS（红线）：主机供电，5VGND（黑线）：地线D+（绿线） / D-（白线）：差分数据线ID（可选）：Micro-USB OTG 模式识别
二、USB 电气与信号传输
2.1 差分信号与 NRZI 编码
USB 使用 D+/D- 进行差分传输，有效提高抗干扰能力，采用 NRZI 编码 和 位填充（bit stuffing） 技术。
Full-Speed（USB 1.1）：12 MbpsHigh-Speed（USB 2.0）：480 MbpsSuperSpeed（USB 3.0/3.1）：5 Gbps / 10 Gbps，新增 TX/RX 对（USB 3.x 不再复用 D+/D-）
2.2 上拉电阻与速度识别
USB 设备在插入总线时，会通过 D+ 或 D- 上拉电阻向主机宣告其速率：
D+ 上拉 → Full Speed（12 Mbps）D- 上拉 → Low Speed（1.5 Mbps）SuperSpeed 通过额外引脚检测
三、USB 控制器与协议机制
3.1 USB 控制器结构
SoC 中的 USB 控制器是 USB 子系统的核心，主要分为：
Host Controller：控制 USB 总线（如 EHCI、xHCI、DWC3）Device Controller：响应主机控制（如 ChipIdea、DWC2）Dual Role Controller：支持 OTG 动态切换（如 NXP i.MX 的 USB OTG）
3.2 Endpoint 与 Pipe
Endpoint（端点）：USB 设备上的逻辑通道，如 ep0（控制端点）Pipe（管道）：主机与端点之间的通信通道，由主机控制
每个 USB 设备有最多 16 个端点（IN/OUT 各 16），每个端点具有独立的 FIFO、缓冲控制和状态寄存器。
四、USB 架构：主机与设备模型
4.1 主从结构（Host-Device）
主机（Host） 负责：
供电（VBUS）轮询枚举设备控制总线传输 设备（Device） 负责：
上电后通过上拉电阻被主机检测回复主机控制请求通过 Endpoint 进行传输
4.2 USB 枚举过程
主机检测新设备连接（上拉电阻变化）向设备地址 0 发送 GET_DESCRIPTOR分配设备地址请求设备配置，设置端点驱动匹配成功，启动通信
五、OTG 硬件机制与角色切换
OTG（On-The-Go）是一种允许 USB 设备在 Host/Device 之间动态切换的标准，其硬件基础依赖：
ID 引脚：在 Micro-USB 中决定角色（接地为 Host，悬空为 Device）VBUS 检测：检测供电状态判断当前角色OTG 控制器：支持 SRP（Session Request Protocol）和 HNP（Host Negotiation Protocol）角色切换
OTG 的核心应用场景包括：
手机与 USB 外设（如 U 盘）嵌入式板卡进入烧录模式（如 NXP i.MX 使用 UUU 工具）
六、USB 硬件调试与识别
在 Linux 系统中，可以通过如下工具进行硬件识别与调试：
lsusb # 查看所有 USB 设备
lsusb -t # 查看 USB 层级与速度
usb-devices # 查看每个设备详细信息
dmesg | grep usb # 查看 USB 连接日志
常见调试问题：
问题原因无法识别设备控制器未初始化 / PHY 电源未打开枚举失败VBUS 电压不足 / 设备端未上拉SuperSpeed 无法识别线缆不兼容 / USB3.0 PHY 驱动未加载
结语
USB 的硬件结构看似简单，实则隐藏着丰富的控制逻辑、电气机制与协议设计。从控制器选择、PHY 配置，到主从角色转换，每一个环节都对系统稳定性有重要影响。理解 USB 硬件原理，是掌握 USB 驱动开发与系统设计的第一步。
下一篇将进入 USB 的软件结构与驱动开发框架，解析 USB 栈的注册、匹配、通信与用户态接口实现。
支持作者，点击京东购买作者创作书籍《Yocto项目实战教程：高效定制嵌入式Linux系统》