一、拓扑结构硬性约束
- 层级限制：USB物理是分层星型拓扑，最大7层（Tier1~Tier7），主机为Tier1；一条通信路径中最多允许5个非根HUB；复合设备本身占用2层，不能放在第7层，第7层只允许普通功能设备。（一条 USB 链路，从电脑出发，最多串 5 个 HUB，总层级不超过 7 层）
- 设备数量：7bit设备地址，地址0为复位默认地址，单主机控制器最多127个设备。
- HUB重点：事务转换器TT（Transaction Translator）高速HUB必须带TT，实现高速主机 ↔ 全速/低速设备协议转换；没有TT的USB1.1 HUB挂载在USB2.0主机下，下游全部是全速/低速带宽，会占用总线资源；HUB分为Hub Repeater（中继器）、Hub Controller、TT三部分。
- 拓扑只能树型，禁止环路；只有1个Host主机，不能多主机。
二、电气信号设计（D+ / D‑差分对，重中之重）
- 三种速率
- 高速High‑Speed：480Mb/s；全速Full‑Speed：12Mb/s；低速Low‑Speed：1.5Mb/s（仅用于键鼠等简单交互设备，不支持BULK批量传输）。
- 高速设备上电先以全速模式枚举，总线复位握手后切换到480M高速模式，高速设备必须兼容全速响应标准设备请求（Set‑Address、Get‑Descriptor等）。
- 速度识别上拉/下拉电阻
- 设备端：全速/高速设备，D+接1.5kΩ上拉（3.3V）；低速设备D‑接1.5kΩ上拉3.3V。
- Host/HUB下游端口：D+、D‑各15kΩ下拉到GND；上拉电阻用来通知主机设备插入、识别速率；很多USB芯片内部集成该电阻，固件可控开关，硬件外部电阻按需取舍。
- 差分阻抗要求差分对D+/D‑差分阻抗90Ω±15%；PCB走线、线缆全程保持阻抗连续，减少反射、眼图恶化；差分对内两根走线尽量等长，控制skew（时序偏移）；高速模式对信号抖动、上升/下降沿单调有严格规范，不能有过冲震荡。
- 编码：NRZI编码+位填充Bit‑Stuffing，每包开头必须有SYNC同步域，用于接收端PLL锁时钟；EOP包结束标志；协议内置CRC5（令牌包）、CRC16（数据包）做错误检测。
- 线缆规格：4根导线VBUS、D+、D‑、GND；高速/全速线缆必须双绞+屏蔽；单段线缆最大5m。
三、电源VBUS设计
- VBUS标称+5V；分总线供电Bus‑Powered、自供电Self‑Powered两类设备。
- 总线供电设备：全部由VBUS取电。总线供电HUB有严格功耗限制；低功耗设备最大100mA；高功耗设备最大500mA。
- 自供电设备：自带电源，从USB总线汲取电流不允许超过100mA。
- 描述符bMaxPower：配置描述符中上报设备消耗电流，单位2mA；硬件实际功耗严禁超过该上报值；Get‑Status指令可以读取设备供电模式，硬件功耗要和描述符匹配。
- 挂起Suspend电流约束：挂起状态设备总电流必须小于规定值；主机/Hub会检测挂起、恢复Resume信号，支持远程唤醒Remote‑Wakeup功能（需要设备描述符开启Feature）。
- HUB端口电源：支持端口独立电源控制，过流检测、过流上报；总线供电HUB不能无限制向下游输出电流。需要做压降预算，线缆、连接器IR压降不能超出规范范围。
四、端点Endpoint与传输类型硬件相关约束
所有USB设备必须实现Endpoint0（控制端点），双向，默认控制管道Default Control Pipe，设备复位后地址0就可用，用于枚举、标准请求；其他端点必须等设备配置完成后才能使用。 四种传输类型硬件限制：
- 控制传输Control：端点0，所有设备必备。低速最大包8字节；全速8/16/32/64字节；高速固定64字节；微帧预留20%带宽给控制传输。
- 批量Bulk：仅全速、高速支持，低速设备不能有BULK端点；高速Bulk最大包512字节；全速最大64字节；占用剩余空闲带宽，无带宽保证。
- 中断Interrupt：低速最大包8字节；全速最大64字节；高速最大1024字节；有最大服务周期保证，适合键鼠。高速高带宽中断端点可1微帧最多3次事务。
- 同步Isochronous：只有全速/高速；用于音视频；不做重传，错包直接丢弃；需要预先预留带宽，不能重试纠错；高速高带宽同步端点单微帧最多3072字节数据；依赖SOF帧同步时钟。
高速高带宽端点：wMaxPacketSize高11‑12bit标识每个微帧事务数量（1‑3次），硬件、固件描述符必须配置正确。
五、机械与连接器要点
- Upstream（设备侧上行口）、Downstream（HUB下游口）A/B连接器物理防呆，不能互换，避免环路；禁止设计非法线缆。
- 连接器外壳屏蔽地处理，屏蔽外壳不能直接短接信号GND，注意隔离，防止地环路干扰。
- 线缆：高速/全速必须屏蔽双绞线；低速线缆可以非屏蔽；导线AWG线规要匹配功率，保证压降满足要求。
六、硬件必须配合协议的关键点（电路设计要留给固件实现条件）
- 设备枚举Bus Enumeration流程硬件条件：插入检测（D+ / D‑上拉）→复位 →地址分配（Set‑Address）→读取各类描述符（Device、Configuration、Interface、Endpoint）→Set‑Configuration配置设备，端点才工作。硬件必须支持总线复位信号。
- 设备状态：Default、Address、Configured、Suspend；硬件电路要支持总线复位、挂起/恢复信号识别。
- HUB硬件必须支持：端口连接/断开检测、端口复位、端口电源开关、过流检测上报；带TT的HUB，TT缓冲区硬件资源要满足分割事务Split‑Transaction要求，用于高速主机和全速/低速设备通信，Split事务对时序要求严格。
七、常见踩坑清单（电路设计特别注意）
- ❌ 高速设备省略上拉电阻，无法识别；电阻阻值偏离1.5kΩ规格，造成识别不稳定。
- ❌ D+ D‑差分走线阻抗不控制、大量过孔、走线过长，高速480M枚举失败，只能跑全速12M。
- ❌ 低速设备设计BULK批量端点，协议不支持，会通信异常。
- ❌ 总线供电设备实际电流大于描述符bMaxPower上报电流，导致主机复位设备。
- ❌ 高速HUB不带TT，下游接全速设备，带宽异常，通信卡顿。
- ❌ 拓扑层级超过7层；复合设备放在第7层，无法正常工作。
- ❌ VBUS走线太细，线缆压降超标，设备不稳定。
- ❌ 忽略Suspend挂起电流，挂起电流超标，主机直接复位设备。
- ❌ 高速设备只做硬件480M，不兼容全速响应标准请求，枚举直接失败。
- ❌ 同步传输期望出错重传；硬件没有意识到同步传输不支持重传，丢包后软件反复重试无效。
