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[操作系统]USB协议分析


一、USB设备描述结构

1.逻辑组织结构

  在USB设备的逻辑组织中,包含设备、配置、接口和端点4个层次。设备通常有一个或多个配置,配置通常有一个或多个接口,接口有零或多个端点。

每个USB设备都可以包含一个或多个配置,不同的配置使设备表现出不同的功能组合,配置由多个接口组成。在USB协议中,接口代表一个基本的功能,一个功能复杂的USB设备可以具有多个接口,而接口是端点的汇集。

一个USB播放器带有音频,视频功能,还有旋钮和按钮。
配置1: 音频(接口)+旋钮(接口)
配置2: 视频(接口)+旋钮(接口)
配置3: 音频(接口)+视频(接口)+按钮(接口)
音频接口,视频接口,按钮接口,旋钮接口均需要一个驱动程序。

USB设备中的唯一可寻址的部分是设备端点,端点的作用类似于寄存器。每个端点在设备内部有唯一的端点号,这个端点号是在设备设计时给定的。主机和设备的通信最终都作用于设备上的各个端点。每个端点所支持的操作都是单向的,要么只读,要么只写。

2.描述符

在每一个USB设备内部,包含了固定格式的数据,通过这些数据,USB主机就可以获取USB设备的类型、生产厂商等信息。这些固定格式的数据,我们就称之为USB描述符。标准的USB设备有5种USB描述符:设备描述符,配置描述符,接口描述符,端点描述符,字符串描述符。

2.1 设备描述符

 bLength : 描述符长度,固定为0x12。
 bDescriptorType : 设备描述符类型,固定为0x01。
 bcdUSB : USB 规范发布号。表示了本设备能适用于那种协议,如2.0=0200
 bDeviceClass : 类型代码。
 bDeviceSubClass : 子类型代码。
 bDeviceProtocol : 协议代码。
 bMaxPacketSize0 : 端点0最大分组大小。
 idVendor : 供应商ID。
 idProduct : 产品ID(由厂商分配)。
 bcdDevice : 设备出产编码,由厂家自行设置。
 iManufacturer : 厂商描述符字符串索引.索引到对应的字符串描述符。
 iProduct : :产品描述符字符串索引。
 iSerialNumber : 设备序列号字符串索引。
 bNumConfigurations : 可能的配置数。

2.2 配置描述符

 bLength : 描述符长度,固定为0x09。
 bDescriptorType : 配置描述符类型,固定为0x02。
 wTotalLength : 返回整个数据的长度,指此配置返回的配置描述符,接口描述符以及端点描述符的全部大小。
 bNumInterfaces : 配置所支持的接口数,指该配置配备的接口数量,也表示该配置下接口描述符数量。
 bConfigurationValue : 作为Set Configuration的一个参数选择配置值。
 iConfiguration : 用于描述该配置字符串描述符的索引。
 bmAttributes : 供电模式选择。Bit4-0保留,D7:总线供电,D6:自供电,D5:远程唤醒.
 MaxPower : 总线供电的USB设备的最大消耗电流,以2mA为单位。

2.3 接口描述符

 bLength : 描述符长度,固定为0x09。
 bDescriptorType : 接口描述符类型,固定为0x04。
 bInterfaceNumber: 该接口的编号。
 bAlternateSetting : 用于为上一个字段选择可供替换的设置。
 bNumEndpoint : 使用的端点数目,端点0除外。
 bInterfaceClass : 类型代码(由USB组织分配)。
 bInterfaceSunClass : 子类型代码(由USB组织分配)。
 bInterfaceProtocol : 协议代码(由USB组织分配)。
 iInterface : 字符串描述符的索引。

2.4 端点描述符

 bLength : 描述符大小,固定为0x07。
 bDescriptorType : 接口描述符类型,固定为0x05。
 bEndpointType : USB设备的端点地址。Bit7,方向,对于控制端点可以忽略,1/0:IN/OUT。Bit6-4,保留。BIt3-0:端点号.
 bmAttributes : 端点属性,Bit7-2,保留。BIt1-0:00控制,01同步,02批量,03中断。
 wMaxPacketSize : 本端点接收或发送的最大信息包大小。
 bInterval : 轮训数据传送端点的时间间隔.对于批量传送和控制传送的端点忽略.对于同步传送的端点,必须为1,对于中断传送的端点,范围为1-255。

 

二、USB数据通讯

1. 通讯模型

2. 传输

 

USB的数据通讯首先是基于传输(Transfer)的,传输的类型有:中断传输(比如USB,键盘)、批量传输(大容量传输:比如U盘)、同步传输、控制传输.

 

3. 事物

 

一次传输由一个或多个事务(transaction)构成,事务可分为:In事务,Out事务,Setup事务

 

4. 包

 

一个事务由一个或多个包(packet)构成,包可分为:令牌包(setup)、数据包(data)、握手包(ACK)和特殊包

 

5. 域

 

一个包由多个域构成,域可分为:同步域(SYNC),标识域(PID),地址域(ADDR),端点域(ENDP),帧号域(FRAM),数据域(DATA),校验域(CRC)

 

三、USB数据枚举

 

USB设备在正常工作以前, 第一件要做的事就是枚举。枚举是让主机认得这个USB设备, 并且为该设备准备资源,建立好主机和设备之间的数据传递通道。

 

1. 获取设备描述符
2. 复位
3. 设置地址
4.再次获取设备描述符
5. 获取配置描述符
6. 获取接口、端点描述符
7. 获取字符串描述符
8. 选择设备配置