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《USB技术应用与开发》第七讲：CDC串口设备案例

news 2025/7/4 23:10:21

学习目标：如何通过 USB 接口模拟出一个外设，让计算机可以识别为一个串口设备。

一、基本概念

CDC 全称 Communication Device Class，译为通讯设备类，是 USB 协议中定义的一个子类，是USB 通讯设备类。

CDC 类定义了与通信相关设备的一个抽象集合，今天讲解的是：传统纯电话业务模型下的抽象控制模型。

插入：平时使用的 USB 转串的小模块，比如 CH340 ，在使用时都需要安装厂家提供的驱动，所以这种 USB 小模块并不属于 CDC 虚拟串口，真正的 CDC 虚拟串口一般的操作系统都会集成了驱动，所以可以有以下的简单判断：

厂家定义驱动一般都属于厂家自定义设备，这样的设备是由厂家提供的驱动程序生成串口，并由电脑显示出来，这样的方式比较灵活，但是驱动程序的开发比较复杂，兼容性困难。

二、描述符

2.1设备描述符

共 18 个字节，下面是与 CDC 相关需要改变的几个字段。

在之前的 HID 与大容量类设备的时候，以上三个字段都是 00h（接口，下图中的红色字段）。
以上的 02h 表示的就是：通讯设备类，依据来自于下图。

CDC 有 CDC 控制类（第一行黄色的）并在描述那一列写的是 Both ，表明在设备（Device）和接口（Interface）都要描述该 CDC 控制类。

CDC 还有 CDC 数据类（第二行黄色的）并在描述那一列定义为接口。

所以接下来的讲解的 CDC 中除了有一个控制接口还有一个数据接口，它们在接口描述符的 02,0A 都需要写，在设备描述符层面要表明隶属 02h DeviceClass，子类和协议写 00 就可以（如上图）。

2.2配置描述符

无特别说明。

2.3接口描述符

2.3.1控制类接口描述符

CDC 必须有一个控制类接口作为数据类接口的依附，控制类接口描述符 v5、v6、v7 这三个类别（或者说字段）如下图。

对上图的解释：

字段	数值	描述
v5	02h	类：控制类接口
v6	02h	子类：抽象控制模型
v7	01h	协议：通用 AT 命令集

以上就可以表示是一个虚拟串口。在接口描述符下面是允许有端点的，一般在 CDC 控制类接口下面会有一个中断端点，用来报告一些状态，但经过抓包测试即使没有中断端点也没有特殊情况，所以这里的中断端点是可选的，并不是必须的。

2.3.2数据类接口描述符

CDC 主要应用为虚拟串口进行串口收发通讯，具体的收发端点就是在这个数据类端点下实现的，具体字段要求如下。

2.4特定类描述符------功能描述符

HID 设备会在接口描述符后面出现 HID 类设备描述，对于 CDC 类设备在接口后面出现的特定描述符称之为功能描述符 。

功能描述符值作用是描述针对接口的功能，接口后面可以有多个功能描述符描述接口的功能。

后续的参数均与第三个“描述符子类型”有关，在具体的代码中讲解。

2.5端点描述符

CDC 数据接口有一组跟 U 盘一样的端点：一个 block in（批量上传端点），一个block out（批量下传端点），采用的是批量传输，使用的是 USB 协议标准的端点描述符，下图为列出的通用端点描述符，没有针对 CDC 来写。

三、类请求

下面是虚拟串口中比较常见的几个类请求，就是主机发送给设备的请求。

3.1获取串口数据格式&设置串口数据格式

格式包括但不限于：波特率、数据位、校验位、停止位等参数。

CDC 串口设备本质上模拟一个“串口”，但是由于串口需要设置以上等格式参数，所以主机也必须获取/设置 CDC 设备这些参数。

3.1.1获取串口数据

字段名	值（GetLineCoding）	含义说明
bmRequestType	`1010 0001`B (0xA1)	类请求 + 接收方向 + 接口为目标
bRequest	`GET_LINE_CODING` (0x21)	请求码，表示“获取当前串口配置”
wValue	`0x0000`	无含义，固定为 0
wIndex	`Interface`	接口号，即 CDC 接口编号
wLength	`7` 字节（结构大小）	主机会从设备中读取这 7 字节
Data	Line Coding Structure	结构体（7字节）用于返回串口参数

3.1.2设置串口数据

字段名	值（SetLineCoding）	含义说明
bmRequestType	`0010 0001`B (0x21)	类请求 + 发送方向 + 接口为目标
bRequest	`SET_LINE_CODING` (0x20)	请求码，表示“设置串口配置”
wValue	`0x0000`	无含义，固定为 0
wIndex	`Interface`	接口号，即 CDC 接口编号
wLength	`7` 字节（结构大小）	主机会向设备发送这 7 字节数据
Data	Line Coding Structure	结构体（7字节）描述串口新参数

3.1.3获取到/设置为的7字节结构体

可以是5、6、7、8、16位数据（中文翻译版有误）

3.1.4举例

（1）主机获取串口数据

💻 主机向设备发送请求：

字段名	值	含义
bmRequestType	0xA1	`1010 0001` → IN（设备→主机），Class类请求，Interface为目标
bRequest	0x21	`GET_LINE_CODING` 请求码
wValue	0x0000	固定为 0
wIndex	0x0000	接口编号，一般是 CDC 数据接口号（2.3.2节）
wLength	0x0007	一共读取 7 字节
Data	——	无，主机会接收 7 字节数据

📥 设备响应的数据（LineCoding 结构体）：

比如当前串口配置是：波特率 115200、8 数据位、无校验、1停止位（8N1）：

偏移	字段名	值	含义
0	dwDTERate	0x00 0xC2 0x01 0x00	`0x0001C200` → 115200（注意小端）
4	bCharFormat	0x00	1 个停止位
5	bParityType	0x00	无校验
6	bDataBits	0x08	8 位数据

完整返回的 7 字节数据为：00 C2 01 00 00 00 08

（2）主机设置串口参数

现在主机想设置成：波特率 9600、7 数据位、偶校验、1.5 个停止位

💻 主机发送控制请求（含 7 字节数据）：

字段名	值	含义
bmRequestType	0x21	`0010 0001` → OUT（主机→设备），Class类请求，Interface为目标
bRequest	0x20	`SET_LINE_CODING` 请求码
wValue	0x0000	固定为 0
wIndex	0x0000	接口编号
wLength	0x0007	向设备写入 7 字节
Data	`80 25 00 00 01 02 07`	7 字节结构体内容（解析如下）

📤 主机发送的数据解析：

偏移	字段名	值	含义
0	dwDTERate	0x80 0x25 0x00 0x00	`0x00002580` → 9600 bps
4	bCharFormat	0x01	1.5 个停止位
5	bParityType	0x02	偶校验
6	bDataBits	0x07	7 位数据位

3.2设置控制线状态

驱动 RTS 和DTR 这两根线。

上图展示了 USB CDC 类中的类请求：设置（模拟）串口通信中控制信号线，比如RTS（Request to Send）和 DTR（Data Terminal Ready）。

🧩 这条请求的完整结构解释如下：

字段名	含义
bmRequestType	`00100001B`，表示类请求（Class）、主机到设备（Host to Device）、接口（Interface）
bRequest	`0x22`，即 SET_CONTROL_LINE_STATE
wValue	控制信号位图（Control Signal Bitmap）（下面会解释）
wIndex	接口号（一般为 CDC 接口号）
wLength	恒为 0，无数据阶段
Data	无