USB枚舉流程分析

圖2 USB總線邏輯結(jié)構(gòu)
在usb設(shè)備的邏輯組織中，包含設(shè)備，配置，接口，端點4個層次。
設(shè)備通常有一個或多個配置，配置通常有一個或多個接口，接口有零或多個端點。
每個usb設(shè)備都可以包含一個或多個配置，不同的配置使設(shè)備表現(xiàn)出不同的功能組合（在探測，連接期間需從其中選定一個），配置由多個接口組成。在usb協(xié)議中，接口由多個端點組成，代表一個基本的功能，是usb設(shè)備驅(qū)動程序控制的對象，一個功能復(fù)雜的usb設(shè)備可以具有多個接口，而接口是端點的匯集
例子
一個usb播放器帶有音頻，視頻功能，還有旋鈕和按鈕
配置1 音頻（接口）+旋鈕（接口）
配置2 視頻（接口）+音頻（接口）+按鈕（接口）
每個接口對應(yīng)需要一個驅(qū)動程序

usb設(shè)備中的唯一可尋址部分是設(shè)備的端點。它是位于usb設(shè)備或主機上的一個數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，用來存放和發(fā)送usb的各種數(shù)據(jù)。主機和設(shè)備的通信最終作用于設(shè)備上的各個端點，它是主機與設(shè)備間通信流的一個邏輯終端

每個usb設(shè)備有一個唯一的地址，這個地址是在設(shè)備連上主機時，由主機分配的，而設(shè)備中的每個端點在設(shè)備內(nèi)部有唯一的端點號，這個端點號是在設(shè)計設(shè)備時給定的。每個端點都是一個簡單的連接點，或者支持?jǐn)?shù)據(jù)流進(jìn)設(shè)備，或者支持其流出設(shè)備，兩者不可兼得。

基于PnP機制，設(shè)備被枚舉時，它必須向主機報告各個端點的特性，包括端點號，通信方向，端點支持的最大包大小，帶寬要求等（其中端點支持的最大包大小叫做數(shù)據(jù)有效負(fù)載）。每個設(shè)備必須有端點0，它用于設(shè)備枚舉和對設(shè)備進(jìn)行一些基本的控制功能。除了端點0，其余的端點在設(shè)備配置之前不能與主機通信，只有向主機報告這些端點的特性并被確認(rèn)后才能被激活。

LInux USB枚舉過程

USB架構(gòu)中， hub負(fù)責(zé)檢測設(shè)備的連接和斷開，利用其中斷IN端點(Interrupt IN Endpoint)來向主機（Host）報告。在系統(tǒng)啟動時，主機輪詢它的根hub（Root Hub）的狀態(tài)看是否有設(shè)備（包括子hub和子hub上的設(shè)備）連接。USB總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見上圖（最頂端為主機的Root Hub）

一旦獲悉有新設(shè)備連接上來，主機就會發(fā)送一系列的請求(Resqusts)給設(shè)備所掛載到的hub，再由hub建立起一條連接主機（Host）和設(shè) 備（Device）之間的通信通道。然后主機以控制傳輸(ControlTransfer)的方式，通過端點0(Endpoint 0)對設(shè)備發(fā)送各種請求，設(shè)備收到主機發(fā)來的請求后回復(fù)相應(yīng)的信息，進(jìn)行枚舉（Enumerate）操作。所有的USB設(shè)備必須支持標(biāo)準(zhǔn)請求 （StandardRequests），控制傳輸方式（ControlTransfer）和端點0（Endpoint 0）。

從用戶角度來看，枚舉過程是自動完成并不可見的。但很多初次使用的設(shè)備連接時，系統(tǒng)會彈出說新硬件檢測到，設(shè)備安裝成功，可以使用之類的消息提示框，而且有時還需要用戶配合選擇安裝相關(guān)的驅(qū)動。

當(dāng)枚舉完成后，這個新添加的設(shè)備可在Windows的設(shè)備管理器里面看到，當(dāng)用戶刪除這個設(shè)備/硬件時，系統(tǒng)把這個設(shè)備從設(shè)備管理器里刪除。

對于一般的設(shè)備，固件（Firmware）內(nèi)包含主機所要請求的信息，而有些設(shè)備則是完全由硬件來負(fù)責(zé)響應(yīng)主機的請求。在主機方面則是由操作系統(tǒng)而非應(yīng)用程序負(fù)責(zé)處理相關(guān)枚舉操作。

枚舉步驟
USB協(xié)議定義了設(shè)備的6種狀態(tài)，僅在枚舉過程種，設(shè)備就經(jīng)歷了4個狀態(tài)的遷移：上電狀態(tài)(Powered)，默認(rèn)狀態(tài)(Default)，地址狀態(tài)(Address)和配置狀態(tài)(Configured)（其他兩種是連接狀態(tài)和掛起狀態(tài)（Suspend））。

下面步驟是Windows系統(tǒng)下典型的枚舉過程，但是固件不能依此就認(rèn)為所有的枚舉操作都是按照這樣一個流程行進(jìn)。設(shè)備必須在任何時候都能正確處理所有的主機請求。

本文引用地址：http://2s4d.com/article/201612/328944.htm

1、用戶把USB設(shè)備插入USB端口或給系統(tǒng)啟動時設(shè)備上電
這里指的USB端口指的是主機下的根hub或主機下行端口上的hub端口。Hub給端口供電，連接著的設(shè)備處于上電狀態(tài)。

2、Hub監(jiān)測它各個端口數(shù)據(jù)線上(D+/D-)的電壓
在hub端，數(shù)據(jù)線D+和D-都有一個阻值在14.25k到24.8k的下拉電阻Rpd，而在設(shè)備端，D+（全速，高速）和D-（低速）上有一個1.5k 的上拉電阻Rpu。當(dāng)設(shè)備插入到hub端口時，有上拉電阻的一根數(shù)據(jù)線被拉高到幅值的90%的電壓（大致是3V）。hub檢測到它的一根數(shù)據(jù)線是高電平， 就認(rèn)為是有設(shè)備插入，并能根據(jù)是D+還是D-被拉高來判斷到底是什么設(shè)備（全速/低速）插入端口。 檢測到設(shè)備后，hub繼續(xù)給設(shè)備供電，但并不急于與設(shè)備進(jìn)行USB傳輸。

3、Host了解連接的設(shè)備
每個hub利用它自己的中斷端點向主機報告它的各個端口的狀態(tài)（對于這個過程，設(shè)備是看不到的，也不必關(guān)心），報告的內(nèi)容只是hub端口的設(shè)備連接／斷開 的事件。如果有連接／斷開事件發(fā)生，那么host會發(fā)送一個 Get_Port_Status請求(request)以了解更多hub上的信息。Get_Port_Status等請求屬于所有hub都要求支持的 hub類標(biāo)準(zhǔn)請求（standard hub-classrequests）。

4、Hub檢測所插入的設(shè)備是高速還是低速設(shè)備
hub通過檢測USB總線空閑(Idle)時差分線的高低電壓來判斷所連接設(shè)備的速度類型，當(dāng)host發(fā)來Get_Port_Status請求時，hub 就可以將此設(shè)備的速度類型信息回復(fù)給host。（USB 2.0規(guī)范要求速度檢測要先于復(fù)位（Reset）操作）。

5、hub復(fù)位設(shè)備
當(dāng)主機獲悉一個新的設(shè)備后，主機控制器就向hub發(fā)出一個 Set_Port_Feature請求讓hub復(fù)位其管理的端口。hub通過驅(qū)動數(shù)據(jù)線到復(fù)位狀態(tài)(D+和D-全為低電平 )，并持續(xù)至少10ms。當(dāng)然，hub不會把這樣的復(fù)位信號發(fā)送給其他已有設(shè)備連接的端口，所以其他連在該hub上的設(shè)備自然看不到復(fù)位信號，不受影響。

6、Host檢測所連接的全速設(shè)備是否是支持高速模式
因為根據(jù)USB 2.0協(xié)議，高速（High Speed）設(shè)備在初始時是默認(rèn)全速（Full Speed ）狀態(tài)運行，所以對于一個支持USB 2.0的高速hub，當(dāng)它發(fā)現(xiàn)它的端口連接的是一個全速設(shè)備時，會進(jìn)行高速檢測，看看目前這個設(shè)備是否還支持高速傳輸，如果是，那就切到高速信號模式，否 則就一直在全速狀態(tài)下工作。

同樣的，從設(shè)備的角度來看，如果是一個高速設(shè)備，在剛連接bub或上電時只能用全速信號模式運行（根據(jù)USB 2.0協(xié)議，高速設(shè)備必須向下兼容USB 1.1的全速模式）。隨后hub會進(jìn)行高速檢測，之后這個設(shè)備才會切換到告訴模式下工作。假如所連接的hub不支持USB 2.0，即不是高速hub，不能進(jìn)行高速檢測，設(shè)備將一直以全速工作。

7、Hub建立設(shè)備和主機之間的信息通道
主機不停得向hub發(fā)送 Get_Port_Status請求，以查詢設(shè)備是否復(fù)位成功。Hub返回的報告信息中有專門的一位用來標(biāo)志設(shè)備的復(fù)位狀態(tài)。
當(dāng)hub撤銷了復(fù)位信號，設(shè)備就處于默認(rèn)／空閑狀態(tài)（Default state），準(zhǔn)備著主機發(fā)來的請求。設(shè)備和主機之間的通信通過控制傳輸，默認(rèn)地址0，端點號0進(jìn)行。在此時，設(shè)備能從總線上得到的最大電流是100mA。(所有的USB設(shè)備在總線復(fù)位后其地址都為0，這樣主機就可以跟那些剛剛插入的設(shè)備通過地址0通信。)

8、主機發(fā)送Get_Descriptor請求獲取默認(rèn)管道的最大包長度
默認(rèn)管道（Default Pipe）在設(shè)備一端來看就是端點0。主機此時發(fā)送的請求是默認(rèn)地址0，端點0，雖然所有位分配地址的設(shè)備都是通過地址0來獲取主機發(fā)來的信息，但由于枚 舉過程不是多個設(shè)備并行處理，而是一次枚舉一個設(shè)備的方式進(jìn)行，所以不會發(fā)生多個設(shè)備同時響應(yīng)主機發(fā)來的請求。
設(shè)備描述符的第8字節(jié)代表設(shè)備端點0的最大包大小。對于Windows系統(tǒng)來說，Get_Descriptor請求中的wLength一項都會設(shè)為64， 雖然說設(shè)備所返回的設(shè)備描述符（DeviceDescriptor）長度只有18字節(jié)，但系統(tǒng)也不在乎，此時，描述符的長度信息對它來說是最重要的，其他 的瞄一眼就過了。Windows系統(tǒng)還有個怪癖，當(dāng)完成第一次的控制傳輸后，也就是完成控制傳輸?shù)臓顟B(tài)階段，系統(tǒng)會要求hub對設(shè)備進(jìn)行再一次的復(fù)位操作 （USB規(guī)范里面可沒這要求）。再次復(fù)位的目的是使設(shè)備進(jìn)入一個確定的狀態(tài)。

9、主機給設(shè)備分配一個地址
主機控制器通過Set_Address請求向設(shè)備分配一個唯一的地址。在完成這次傳輸之后，設(shè)備進(jìn)入地址狀態(tài)（Address state），之后就啟用新地址繼續(xù)與主機通信。這個地址對于設(shè)備來說是終生制的，設(shè)備在，地址在；設(shè)備消失（被拔出，復(fù)位，系統(tǒng)重啟），地址被收回。同 一個設(shè)備當(dāng)再次被枚舉后得到的地址不一定是上次那個了。

10、主機獲取設(shè)備的信息
主機發(fā)送 Get_Descriptor請求到新地址讀取設(shè)備描述符，這次主機發(fā)送Get_Descriptor請求可算是誠心，它會認(rèn)真解析設(shè)備描述符的內(nèi)容。設(shè) 備描述符內(nèi)信息包括端點0的最大包長度，設(shè)備所支持的配置（Configuration）個數(shù)，設(shè)備類型，VID（Vendor ID，由USB-IF分配）， PID（Product ID，由廠商自己定制）等信息。Get_Descriptor請求(Device type)和設(shè)備描述符（已抹去VID，PID等信息）見下圖：

之后主機發(fā)送Get_Descriptor請求，讀取配置描述符（ConfigurationDescriptor），字符串等，逐一了解設(shè)備更詳細(xì)的信 息。事實上，對于配置描述符的標(biāo)準(zhǔn)請求中，有時wLength一項會大于實際配置描述符的長度（9字節(jié)），比如255。這樣的效果便是：主機發(fā)送了一個 Get_Descriptor_Configuration的請求，設(shè)備會把接口描述符，端點描述符等后續(xù)描述符一并回給主機，主機則根據(jù)描述符頭部的標(biāo) 志判斷送上來的具體是何種描述符。

接下來，主機就會獲取配置描述符。配置描述符總共為9字節(jié)。主機在獲取到配置描述符后，根據(jù)里面的配置集合總長度，再獲取配置集合。配置集合包括配置描述符，接口描述符，端點描符等等。
如果有字符串描述符的話，還要獲取字符串描述符。另外HID設(shè)備還有HID描述符等。

11、主機給設(shè)備掛載驅(qū)動（復(fù)合設(shè)備除外）
主機通過解析描述符后對設(shè)備有了足夠的了解，會選擇一個最合適的驅(qū)動給設(shè)備。在驅(qū)動的選擇過程中，Windows系統(tǒng)會和系統(tǒng)inf文件里的廠商 ID，產(chǎn)品ID，有時甚至用到設(shè)備返回來的產(chǎn)品版本號進(jìn)行匹配。如果沒有匹配的選項，Windows會根據(jù)設(shè)備返回來的類，子類，協(xié)議值信息選擇。如果該 設(shè)備以前在系統(tǒng)上成功枚舉過，操作系統(tǒng)會根據(jù)以前記錄的登記信息而非inf文件掛載驅(qū)動。當(dāng)操作系統(tǒng)給設(shè)備指定了驅(qū)動之后，就由驅(qū)動來負(fù)責(zé)對設(shè)備的訪問。
對于復(fù)合設(shè)備，通常應(yīng)該是不同的接口（Interface）配置給不同的驅(qū)動，因此，需要等到當(dāng)設(shè)備被配置并把接口使能后才可以把驅(qū)動掛載上去。
設(shè)備-配置-接口-端點關(guān)系見下圖：

實際情況沒有上述關(guān)系復(fù)雜。一般來說，一個設(shè)備就一個配置，一個接口，如果設(shè)備是多功能符合設(shè)備，則有多個接口。端點一般都有好幾個，比如Mass Storage設(shè)備一般就有兩個端點（控制端點0除外）。

12. 設(shè)備驅(qū)動選擇一個配置
驅(qū)動（注意，這里是驅(qū)動，之后的事情都是有驅(qū)動來接管負(fù)責(zé)與設(shè)備的通信）根據(jù)前面設(shè)備回復(fù)的信息，發(fā)送Set_Configuration請求來正式確定 選擇設(shè)備的哪個配置（Configuration）作為工作配置（對于大多數(shù)設(shè)備來說，一般只有一個配置被定義）。至此，設(shè)備處于配置狀態(tài)，當(dāng)然，設(shè)備也 應(yīng)該使能它的各個接口（Interface）。
對于復(fù)合設(shè)備，主機會在這個時候根據(jù)設(shè)備接口信息，給它們掛載驅(qū)動。