🔥作者简介： 一个平凡而乐于分享的小比特，中南民族大学通信工程专业研究生，研究方向无线联邦学习
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✨收录专栏：通信协议，本专栏为记录项目中用到的知识点，以及一些硬件常识总结
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USB CDC串口通信详解：把USB变成"智能串口线"
一、CDC是什么？------USB时代的串口革命
CDC（Communications Device Class，通信设备类） 是一种USB设备类规范，它让USB设备可以模拟传统的串口（COM口），但性能大幅提升。
传统串口 vs USB CDC串口
传统串口（RS-232）时代：
┌─────────┐ 串口线（9针） ┌─────────┐
│ 单片机 │←---慢速+大电压--→│ 电脑 │
└─────────┘ 最大115.2Kbps └─────────┘
问题：速度慢、需要专用接口、电压高
USB CDC时代：
┌─────────┐ USB CDC虚拟 ┌─────────┐
│ 嵌入式 │←---高速+即插即用--→│ 电脑 │
└─────────┘ 可达12Mbps └─────────┐
优势：快、简单、标准、可供电二、CDC在USB体系中的位置
USB设备类体系：
┌─────────────────────────────────┐
│ USB标准设备类 │
├─────────────────────────────────┤
│ 1️⃣ 大容量存储类（U盘、移动硬盘） │
│ 2️⃣ HID类（键盘、鼠标） │
│ 3️⃣ **CDC类（串口、网卡、调制解调器）**│ ← 今天的主角
│ 4️⃣ 音频类（耳机、麦克风） │
│ 5️⃣ 视频类（摄像头） │
└─────────────────────────────────┘
CDC子类（重点看串口）：
• CDC ACM（Abstract Control Model）：虚拟串口
• CDC ECM（Ethernet Control Model）：虚拟网卡
• CDC NCM（Network Control Model）：网络聚合
• CDC PCC（Phone Control Model）：电话控制三、CDC-ACM虚拟串口架构
CDC-ACM设备内部结构图
CDC-ACM设备内部端点配置：
┌─────────────────────────────────┐
│ CDC-ACM设备 │
│ │
│ 控制接口（端点0 - 必需） │ ← 管理命令
│ ├─ 类特定描述符 │
│ └─ 端点0（双向控制端点） │
│ │
│ 数据接口（端点1、2 - 数据传输） │
│ ├─ 端点1 IN（设备→主机） │ ← 发送数据
│ └─ 端点2 OUT（主机→设备） │ ← 接收数据
│ │
│ 可选的端点3 IN（通知端点） │ ← 状态变化通知
└─────────────────────────────────┘四、CDC-ACM通信协议栈
CDC-ACM通信层次：
应用层（用户程序）
↓
串口API（COM1, COM2...）
↓
USB CDC驱动程序（usbser.sys / cdc_acm.ko）
↓
USB核心驱动
↓
USB主机控制器
↓
物理USB连接五、CDC-ACM描述符详解（设备的"身份证"）
描述符集合结构
标准USB描述符 + CDC类特定描述符：
1. 设备描述符：我是CDC设备
┌─────────────────────────┐
│ bDeviceClass: 0x02 │ ← 通信设备类
│ bDeviceSubClass: 0x00 │
│ bDeviceProtocol: 0x00 │
└─────────────────────────┘
2. 配置描述符：我有两个接口
┌─────────────────────────┐
│ 接口0：通信控制接口 │ ← 管理串口参数
│ 接口1：数据接口 │ ← 实际数据传输
└─────────────────────────┘
3. CDC类特定描述符（关键！）：
┌─────────────────────────────────┐
│ 头部功能描述符 │
│ • bDescriptorType: 0x24 │
│ • bDescriptorSubtype: 0x00 │
├─────────────────────────────────┤
│ 呼叫管理功能描述符 │
│ • bmCapabilities: 0x00 │
│ • bDataInterface: 0x01 │ ← 指向数据接口
├─────────────────────────────────┤
│ ACM功能描述符 │
│ • bmCapabilities: 0x02 │ ← 支持线路控制
├─────────────────────────────────┤
│ 联合功能描述符 │
│ • bControlInterface: 0x00 │ ← 控制接口编号
│ • bSubordinateInterface: 0x01 │ ← 数据接口编号
└─────────────────────────────────┘六、CDC-ACM控制命令（串口参数设置）
标准串口控制命令表
| 命令代码 | 功能 | 参数 | 对应传统串口操作 |
|---|---|---|---|
| 0x00 | SET_LINE_CODING | 波特率、数据位等 | 配置串口参数 |
| 0x01 | GET_LINE_CODING | 读取当前设置 | 读取串口配置 |
| 0x02 | SET_CONTROL_LINE_STATE | RTS/DTR控制 | 硬件流控 |
| 0x03 | SEND_BREAK | 发送Break信号 | 特殊通信信号 |
| 0x04-0x1F | 保留 | - | - |
| 0x20-0xFF | 类特定命令 | 厂商自定义 | 扩展功能 |
关键命令详解：SET_LINE_CODING
数据格式（7字节）：
┌─────────┬─────────┬─────────┬─────────┬─────────┐
│ 波特率 │ 停止位 │ 校验位 │ 数据位 │ 特殊位 │
│ (4字节) │ (1字节) │ (1字节) │ (1字节) │ (1字节) │
├─────────┼─────────┼─────────┼─────────┼─────────┤
│ 115200 │ 1位 │ 无校验 │ 8位 │ 0 │
│ 0x0001C200│ 0x00 │ 0x00 │ 0x08 │ 0x00 │
└─────────┴─────────┴─────────┴─────────┴─────────┘
常用波特率对应值：
• 9600 → 0x00002580
• 115200 → 0x0001C200
• 921600 → 0x000E1000
• 1000000 → 0x000F4240七、完整通信流程示例
场景：STM32通过CDC虚拟串口发送"Hello"
时间线分析：
┌─[设备插入]─────────────────────────────┐
│ 1. 主机枚举设备，识别为CDC-ACM │
│ 2. 加载usbser.sys驱动 │
│ 3. 创建COM3虚拟串口 │
├─[用户打开串口助手]─────────────────────┤
│ 4. 串口助手打开COM3，设置115200-8-N-1 │
│ 5. 发送SET_LINE_CODING命令 │
│ 6. 发送SET_CONTROL_LINE_STATE(1,1) │
├─[STM32发送数据]───────────────────────┤
│ 7. STM32准备数据 "Hello\r\n" │
│ 8. 通过端点1 IN发送数据包 │
│ PID=IN, 地址=xx, 端点=0x81 │
│ DATA=[0x48,0x65,0x6C,0x6C,0x6F,0x0D,0x0A]│
│ 9. 主机回复ACK │
├─[用户发送数据]────────────────────────┤
│ 10. 用户输入"AT\r" │
│ 11. 主机通过端点2 OUT发送 │
│ DATA=[0x41,0x54,0x0D] │
│ 12. STM32接收并回复ACK │
└───────────────────────────────────────┘八、CDC-ACM数据端点工作机制
数据流示意图
双向全双工通信：
┌─────────────┐ ┌─────────────┐
│ 主机 │ │ 设备 │
│ (Windows/Linux)│ │(STM32/ESP32)│
├─────────────┤ ├─────────────┤
│ 串口应用 │ │ 应用程序 │
│ ↓ │ │ ↓ │
│ CDC驱动 │ │ CDC固件 │
│ ↓ │ │ ↓ │
│ USB核心 │←---USB总线--→│ USB控制器 │
└─────────────┘ └─────────────┘
端点使用：
• 端点0：控制传输（配置命令）
• 端点1 IN：设备→主机（TX）
• 端点2 OUT：主机→设备（RX）
• 端点3 IN：通知（可选）数据包大小优化
USB全速模式（12Mbps）：
• 最大包大小：64字节
• 实际有效数据：≤63字节（1字节状态）
• 建议：一次发送≤60字节，避免碎片
USB高速模式（480Mbps）：
• 最大包大小：512字节
• 可批量传输大块数据九、实际开发：嵌入式CDC实现
STM32 CDC固件示例（简化）
c
// 1. USB设备描述符配置
const uint8_t CDC_DeviceDescriptor[] = {
0x12, // 描述符长度
0x01, // 设备描述符类型
0x00, 0x02, // USB 2.0
0x02, // 设备类：通信设备
0x00, // 设备子类
0x00, // 设备协议
0x40, // 端点0最大包大小
// ... 厂商ID、产品ID等
};
// 2. CDC类特定描述符
const uint8_t CDC_ClassDescriptor[] = {
// 头部功能描述符
0x05, // 长度
0x24, // 描述符类型：CS_INTERFACE
0x00, // 头部功能描述符子类型
0x10, 0x01, // USB CDC规范1.10
// ACM功能描述符
0x04, // 长度
0x24, // CS_INTERFACE
0x02, // ACM功能描述符
0x02, // 能力：支持线路控制
// 联合功能描述符
0x05, // 长度
0x24, // CS_INTERFACE
0x06, // 联合功能描述符
0x00, // 控制接口编号
0x01, // 数据接口编号
};
// 3. 处理控制命令
void CDC_ControlRequest(uint8_t cmd) {
switch(cmd) {
case 0x00: // SET_LINE_CODING
// 读取波特率、数据位等参数
USBD_CDC_SetLineCoding(&line_coding);
break;
case 0x01: // GET_LINE_CODING
// 返回当前串口配置
USBD_CDC_GetLineCoding(&line_coding);
break;
case 0x02: // SET_CONTROL_LINE_STATE
// 设置RTS/DTR状态
USBD_CDC_SetControlLineState();
break;
}
}
// 4. 数据发送函数
void CDC_Transmit_DATA(uint8_t* data, uint16_t length) {
// 通过端点1 IN发送数据
USBD_CDC_TransmitPacket(CDC_IN_EP, data, length);
}十、CDC与其他通信方式对比
| 特性 | CDC-ACM虚拟串口 | 传统UART串口 | USB HID | USB大容量存储 |
|---|---|---|---|---|
| 速度 | 12Mbps(全速) | 115.2Kbps | 1.5Mbps(低速) | 480Mbps(高速) |
| 驱动需求 | 系统自带 | 系统自带 | 系统自带 | 系统自带 |
| 开发复杂度 | 中等 | 简单 | 中等 | 复杂 |
| 实时性 | 好（有中断端点） | 最好 | 好 | 差 |
| 典型延迟 | 1-10ms | 可变 | 1-10ms | 100ms+ |
| 适用场景 | 调试、配置、通信 | 板间通信 | 人机交互 | 文件传输 |
十一、常见CDC设备实例
1. CP2102/CH340 USB转串口芯片
工作流程：
电脑 ←USB(CDC)→ CP2102 ←UART(串口)→ 单片机
↓ ↓
虚拟COM口 真实串口信号
特点：
• 成本低（几元钱）
• 驱动广泛
• 支持多种波特率2. STM32内置USB CDC
STM32F4系列：
┌─────────────────┐
│ STM32F407 │
│ │
│ 应用程序 │
│ ↓ │
│ USB CDC固件库 │
│ ↓ │
│ USB OTG控制器 │←USB线→电脑
│ ↓ │
│ UART外设 │←可连接其他设备
└─────────────────┘
优势：节省外部芯片，成本更低3. ESP32-S2/S3 USB CDC
ESP32-S3双芯片模式：
┌─────────────────┐
│ ESP32-S3 │
│ │
│ 主CPU：运行用户程序 │
│ ↓ │
│ USB CDC协议栈 │
│ ↓ │
│ USB外设 │←用于程序下载+调试
│ ↓ │
│ UART0 │←连接外部设备
└─────────────────┘十二、CDC通信的性能优化技巧
优化建议表
| 问题 | 原因 | 解决方案 |
|---|---|---|
| 数据丢失 | 缓冲区溢出 | 增加端点缓冲区大小 |
| 延迟大 | 轮询间隔长 | 使用中断传输代替批量 |
| 吞吐量低 | 小包发送 | 合并数据，使用最大包大小 |
| CPU占用高 | 频繁中断 | 使用DMA传输 |
| 兼容性问题 | 描述符不规范 | 严格按照CDC规范 |
高级特性：USB CDC双通道
双虚拟串口设备（STM32示例）：
端点分配：
• 端点0：控制端点
• 端点1 IN：CDC1 TX
• 端点2 OUT：CDC1 RX
• 端点3 IN：通知端点
• 端点4 IN：CDC2 TX
• 端点5 OUT：CDC2 RX
应用场景：
1. 调试日志输出（CDC1）
2. AT命令通信（CDC2）
3. 互不干扰，独立波特率十三、调试与故障排查
常见问题及解决
| 现象 | 可能原因 | 排查步骤 |
|---|---|---|
| 设备无法识别 | 描述符错误 | 使用USB分析仪查看枚举过程 |
| 串口不显示 | 驱动问题 | 检查设备管理器，重新安装驱动 |
| 数据乱码 | 波特率不匹配 | 检查SET_LINE_CODING命令 |
| 发送数据丢失 | 缓冲区满 | 检查NAK响应，调整发送间隔 |
| 只能单向通信 | 端点配置错误 | 检查IN/OUT端点配置 |
USB分析仪看到的CDC通信
典型CDC通信分析：
[时间] [方向] [PID] [内容]
00:00.001 主机→设备 SETUP GET_DESCRIPTOR(设备)
00:00.002 设备→主机 DATA0 设备描述符
00:00.003 主机→设备 ACK 确认
00:00.010 主机→设备 SETUP SET_CONFIGURATION(1)
00:00.011 设备→主机 ACK 确认
00:00.100 主机→设备 SETUP SET_LINE_CODING
00:00.101 主机→设备 OUT 波特率115200数据
00:00.102 设备→主机 ACK 确认
00:00.200 设备→主机 IN 请求数据
00:00.201 设备→主机 DATA0 "Hello World"
00:00.202 主机→设备 ACK 确认十四、CDC协议的未来发展
新特性与趋势
- 高速CDC：USB 3.0+支持，速度达5Gbps
- 多功能复合设备：CDC+大容量存储+HID集成
- 无线CDC：通过蓝牙或Wi-Fi模拟CDC
- WebUSB CDC：浏览器直接访问USB CDC设备
- 安全增强：加密通信，防窃听
十五、实用项目示例：DIY USB-CDC数据记录仪
硬件组成
┌─────────────┐ USB CDC ┌─────────────┐
│ 传感器 │←---数据---→│ STM32F103 │
│ (温湿度/DHT11)│ │ (USB CDC设备)│
└─────────────┘ └──────┬──────┘
│ USB线
┌───────┴───────┐
│ 电脑 │
│ 串口助手/Python│
└───────────────┘固件关键代码
c
// 数据采集并发送
void DataLogger_Task(void) {
float temperature, humidity;
// 1. 读取传感器
DHT11_Read(&temperature, &humidity);
// 2. 格式化数据
char buffer[64];
sprintf(buffer, "Temp:%.1fC, Hum:%.1f%%\r\n",
temperature, humidity);
// 3. 通过CDC发送
CDC_Transmit_DATA((uint8_t*)buffer, strlen(buffer));
// 4. 延时
HAL_Delay(1000); // 每秒发送一次
}总结：CDC的核心价值
CDC-ACM成功的关键 在于它在USB的现代化优势 和串口的简单易用之间找到了完美平衡：
- 对用户透明：看起来、用起来都和传统串口一样
- 性能大幅提升：速度从Kbps提升到Mbps级别
- 即插即用：无需额外电源，自动安装驱动
- 标准化：所有操作系统都支持
- 灵活性：可软件配置波特率等参数
CDC本质上是一个翻译官：
- 对电脑说："我是标准串口设备"
- 对USB硬件说："请以高速USB协议传输数据"
- 在中间进行协议转换
这使得无数基于串口的传统设备（工业控制器、传感器、老式设备）能够平滑迁移到USB时代，而无需改变上位机软件。正是这种"承上启下"的设计，让CDC成为嵌入式开发中最重要、最常用的USB设备类之一。
下次使用Arduino、STM32或ESP32的USB功能时，你会知道，这简单的"串口"背后，是一套完整、精巧的USB CDC协议栈在工作！