USB 基础：连接器、速度、供电、设备类与传输

一个 USB 端口至少有四个彼此独立的问题：插头是什么形状、数据按什么协议和速度传输、设备向系统提供什么功能、供电能力是什么。购买线缆、设计电路或开发驱动时，都应分别确认这四项。

例如，一个采用 Type-C 连接器的设备可以只实现 USB 2.0 数据；一个 CDC 虚拟串口可以通过高速 USB 的 Bulk 端点传输。连接器、设备类和传输类型没有一一对应关系。

1. 把连接器、协议、设备类与应用分开

层次	回答的问题	示例
连接器与电气连接	如何插接，哪些触点负责什么？	Type-A、Type-B、Micro-B、Type-C；VBUS、GND、D+/D−
USB 总线协议与运行速度	主机如何识别和调度设备，链路怎样传输？	USB 2.0，Full-Speed、High-Speed
USB 功能接口与设备类	系统应加载什么驱动、怎样解释标准功能？	HID、CDC、Mass Storage、Audio，或厂商自定义接口
应用协议	某个业务消息是什么意思？	配置采样率、开始采集、样本序号、错误码
供电与功率协商	谁供电、允许多少电压和电流？	VBUS、Type-C 电流声明、USB Power Delivery

USB 2.0 规范涉及总线协议、设备模型、传输、电气和连接等内容，不能简单定义成“物理层标准”。设备类也不能替代总线协议：一个自定义采集命令依然要通过具体端点和 USB 传输机制送达。

USB-IF 明确区分 Type-C、USB 数据协议与 USB Power Delivery。某种连接器的存在不代表另外两种功能一定存在。USB-IF Type-C 术语说明

2. 常见连接器与信号

2.1 USB 2.0 的四个基本信号

信号	含义	容易混淆的地方
VBUS	USB 总线供电	不应写作 Voltage to Current Converter；VCC 是电路中常见的电源网络名，含义由原理图决定
GND	电源和信号参考地	不能把屏蔽壳无条件等同于信号地，连接方式由设计决定
D+、D−	USB 2.0 差分数据线	是一对双向数据信号，不是 UART 的独立 TX/RX 两根线

这里的“四个基本信号”适用于解释传统 USB 2.0 连接，不代表所有 USB 插头都只有四个触点。Micro 连接器还有 ID 等触点；带 SuperSpeed 信号的连接器另有高速差分对。

2.2 Type-A、Type-B、Micro-B 与 Type-C

连接器	识别特征	阅读规格时应确认
传统 Type-A	常见矩形插头，普通形态有方向	数据版本、主机/设备角色、允许电流；只看外壳或颜色不够
传统 Type-B	常见较方形的设备端插头	USB 2.0 与带附加触点的 SuperSpeed 形态有区别
Micro-B	小型、非正反插；USB 2.0 形态较窄	不要和较宽的 SuperSpeed Micro-B 混淆
Type-C	对称椭圆外形，支持正反插	端口、线缆、设备各自的数据、供电、视频能力

比较 Micro-B 与 Type-C 时，最直接的区别是连接器机械结构和正反插方式。数据速率与充电能力需要再查产品规格，不能从形状直接推出“Micro-B 只能慢速、Type-C 至少 5 Gbit/s”。

下面保留原笔记的外观和信号示意图，用于辨认。图中的针脚编号依赖插头/插座及观察方向；实际画板和接线必须以所选连接器数据手册为准。

2.3 Type-C 的信号组

完整 Type-C 插座常见的 24 个触点可按功能理解：

信号组	用途
VBUS、GND	供电与参考地，使用多个触点分担连接需求
D+、D−	USB 2.0 数据；插座两侧的对应触点服务于正反插连接
TX/RX 高速差分对	用于支持相应高速协议的实现；只有 USB 2.0 的产品未必布设这些信号
CC1、CC2	连接、方向、角色与供电相关的检测/协商；具体电路随端口角色决定
SBU1、SBU2	特定附加模式的边带信号，不能当作任意通用数据脚

TI 的引脚说明把 USB 2.0 数据、高速数据、CC 和 SBU 分开介绍。为现有 USB 2.0 设备换成 Type-C 时，除了引出 D+/D−，还必须按端口角色正确处理 CC 等电路。TI Type-C 信号与接口保护说明

3. 数据速率不等于应用吞吐率

USB 2.0 相关设备可能工作在 Low-Speed、Full-Speed 或 High-Speed。名称中的“High”是标准中的速度名称，不表示任意设备在任何连接条件下都能达到该速度。

运行速度	原始信号速率	说明
Low-Speed	1.5 Mbit/s	不支持 Bulk 端点
Full-Speed	12 Mbit/s	Bulk 最大包长为 64 字节
High-Speed	480 Mbit/s	Bulk 最大包长为 512 字节

一份描述符写了 USB 2.0 版本号，并不证明连接已经协商为 High-Speed。还要检查控制器、PHY、线缆、主机端口和实际枚举速度。

因为 1 字节为 8 bit，原始速率的单位换算为：

$$480\times10^6\ \mathrm{bit/s}\div8 =60\times10^6\ \mathrm{B/s}.$$

这是原始链路速率的单位转换。总线事务、握手、调度和设备实现会占用时间，所以不能把它写成应用能持续收到的 60 MB/s。Bulk 没有保留固定带宽，负载变化也会影响等待时间。Microsoft：USB Bulk 传输

对采集系统，应先计算净样本流量。设通道数为 $C$，每通道采样率为 $f_s$，每个样本实际传输 $B$ 字节，则：

$$R_{\mathrm{sample}}=C f_s B.$$

例如 4 通道、每通道 50 kS/s、每样本 2 字节，需要：

$$4\times50{,}000\times2=400{,}000\ \mathrm{B/s}.$$

这还没计帧头、时间戳和状态信息。这里的 $B$ 是存储/传输字节数：24 bit ADC 若装进 32 bit 整数发送，就应使用 4 字节，而不是 3 字节。之后再通过实测验证端到端持续吞吐和最坏积压。

4. 主机、设备、接口与端点

主机负责枚举和安排总线传输。设备通过描述符说明自身配置、接口和端点。对于普通数据端点：

• IN：设备到主机。
• OUT：主机到设备。
• 方向以主机视角定义，不以当前编程函数或芯片引脚命名为准。

flowchart LR
    App[主机应用] --> Driver[系统驱动或用户态访问库]
    Driver --> Host[USB 主机控制器]
    Host -->|OUT| Out[设备 OUT 端点]
    In[设备 IN 端点] -->|IN| Host
    Out --> Protocol[设备应用协议]
    Protocol --> In

设备可以有多个接口，接口内可以有多个端点。系统把端点作为数据通信的目标；上层“采集一秒数据”通常会对应多个请求、事务和包。Microsoft：USB 端点与管道

USB 包、一次主机读请求和一个业务帧不是同一个概念。设计应用协议时，应自己规定消息长度、类型、字节序和分片/重组方式，不能假设每次读取恰好得到一个完整业务消息。

5. 四种传输类型

类型	主要用途	对时间和错误的取舍
Control	枚举、设备配置、控制请求	具有规定的控制阶段；默认控制端点承担基础配置
Bulk	大块数据、文件、允许缓冲的连续数据	支持错误检查和重传；不保证固定带宽或固定完成时限
Interrupt	周期轮询的小量状态或事件	主机按端点条件调度；名称不表示设备任意抢占主机 CPU
Isochronous	音视频等有时间约束的数据流	为传输保留时间；发生错误时不依赖重传补回

Bulk 适合很多采集应用，但“最适合所有采集卡”过于绝对。选择取决于容许丢样与延迟、缓冲空间、设备类兼容性和主机软件。等时传输的持续时序与 Bulk 的可靠重传是不同取舍。Microsoft：等时端点传输

总线能检测和重传部分传输错误，不代表采集系统不会丢样。如果 ADC 生产数据的速度长期超过主机读取速度，有限缓冲最终仍会满；应用需要样本序号、溢出计数和明确的停止/丢弃策略。

6. 设备类与驱动

功能/类	典型用途	选择时要看的内容
HID	人机输入和部分控制设备	报告描述符、报文长度、轮询与平台 API
CDC	通信功能；其中 ACM 常用于虚拟串口	子类、接口组合、驱动支持；虚拟串口波特率字段不等于 USB 总线速率
Mass Storage	存储设备	块设备协议、文件系统与介质语义
Audio / Video	音视频设备	对应类规范、版本、格式与系统驱动支持
厂商自定义接口	自定义设备功能	驱动绑定方式、端点、应用协议和跨平台支持

类名没有一个通用、固定的吞吐上限。例如 CDC 不等于“最多 12 Mbit/s”，也不能把 HID 的所有情况都归结成“64 KB/s”。同一功能在不同 USB 速度、描述符和主机实现下会有不同约束。

Windows 上可用 WinUSB 访问适合的自定义功能接口。Windows 8 及之后的自动绑定还要求设备提供相应 Microsoft OS 描述符和 WINUSB 兼容 ID；仅仅使用厂商自定义类号，不足以实现自动安装。Microsoft：WinUSB 自动安装条件

7. 供电与视频能力要单独检查

Type-C 线缆和端口的能力各不相同。USB Power Delivery 可支持更高功率等级，但必须由设备、电源和线缆共同满足条件；“支持 Type-C”不代表支持某一 PD 功率。USB-IF 给出的上限能力可到 240 W，这不是每个端口的保证。

同样，Type-C 外形不保证视频输出、Thunderbolt、USB4 或外置显卡功能。只有 USB 2.0 数据的 Type-C 线缆也可以支持合适的 PD 供电，因此“充电很快”和“数据很快”应分别判断。USB-IF：Type-C 产品能力说明

实际选型可以按顺序记录：连接器型号 → 主机/设备角色 → 数据协议与速度 → 线缆能力 → 供电/PD等级 → 可选视频模式 → 驱动与应用协议。缺少哪一项，就去查该产品的对应规格，而不是从其他项推断。

8. 从基础概念进入实现

对于 STM32 采集设备，下一步是核对具体型号的 USB 控制器和 PHY，再定义采样率、数据帧、缓冲队列及主机读写流程。硬件支持某个速度，并不会自动生成 USB 类、Windows 驱动绑定或业务协议。

本页合并了原 USB 信号速记、Micro USB 与 Type-C 比较，以及原 USB DAQ 长文中的通用概念。继续阅读 STM32 USB DAQ 固件设计 和 USB DAQ 协议与上位机。