7.13.2. USB 设备枚举简介

重要

一个 USB 设备是否能正常使用，依赖于设备有没有被正确配置。USB 设备在插入端口时会触发枚举，在这个过程中 Host 读取设备的各种描述符，并且下发相应的配置。80% 的 USB 问题是发生在设备枚举过程当中的，所以 USB 开发人员必须对此有详细了解。

7.13.2.1. 背景

USB使用以下方法来满足多种类型的数据在一条共享通道上传输：

  • 时间延迟 。从时间维度上把数据传输切成多个时间片，在每个时间片内绝大部分份额 (最多 80%) 优先传输对时间延迟有要求的数据，如 Interrupt Transfers 、 Isochronous Transfers 。在时间片剩下的额度内传输对时间延迟没要求的数据，如 Control Transfers 、 Bulk Transfers 。

  • 完整性校验 。对需要保证数据完整性的数据加上了CRC 校验，接收端使用 ACK 来知会发送端正确接收，如果没有收到 ACK 发端会尝试重发 3 次。

image0

如上图，USB从时间维度上把数据传输切成多个时间片：

  • Frames。Low-speed 和 Full-speed 的时间切片大小为 1ms，USB 控制器每1ms重新调度一下传输。

  • Microframes。High-speed 的时间切片大小为 125us，USB 控制器每125us重新调度一下传输。

这个时间切片，和操作系统上 Schedule Tick 的概念是一样的。

在数据格式传输上又会进一步细分：

  • Transfer。每个时间片的所有传输称之为一个 Transfer，或者为一个 Frames/Microframes。

  • Transcation。根据某次数据传输的目的，一个 Transfer 可以分成多个 Transcation 事务。

  • Packet。数据传输的最小单位，一个 Transcation 可能由多个 Packet 组成。

7.13.2.2. USB 协议传输格式

image1

  • Transfer/Frame (传输): 从时间的维度看，USB通信是由一系列的 Transfer (传输)组成的。包括四种传输类型：

    • Control Transfers 控制传输

    • Isochronous Transfers 同步传输

    • Interrupt Transfers 中断传输

    • Bulk Transfers 批量传输

image2

  • Transaction (事务): 每一个 Transfer (传输)又可以分成不同的 Transaction，具体的 Transaction 类型为以下3种：

    • IN/Read/Upstream Transaction 输入 (Host) 事务

    • OUT/Write/Downstream Transaction 输出 (Host) 事务

    • Control Transaction 控制事务

image3

  • Packet 每一次 Transaction 又由不同的 Packets 所组成

    • Token Packet

    • Data Packet

    • Handshake Packet

    • Special Packet

image4

  • Field 每一个 Packet 又由不同的 Field 组成：

    • Sync 同步域

    • PID 标识域

    • ADDR 设备地址域

    • ENDP 端点域

    • FRAM 帧号域

    • DATA 数据域

    • CRC 校验域

7.13.2.2.1. Packet

image5

通常一个Packet由5个部分组成。

  • PID : Packet ID

  • ADDR : Device Address

  • EP : Endpoint Number

  • Payload DATA

  • CRC ： 5/16 bits CRC

以下是四种 Packet 的具体格式。

7.13.2.2.1.1. Token Packet

image6

Token Packets 主要分四种：

  • IN,

  • OUT,

  • SETUP,

  • SOF

7.13.2.2.1.2. Data Packet

image7

Data Packets 主要由三部分组成：

  • Packet ID (DATA1/DATA0, toggle), -

  • Payload data,

  • CRC16 。

7.13.2.2.1.3. Handshake Packet

image8

Handshake Packets主要有4种：

  • ACK : 返回成功

  • NAK : Device 忙，或者没有什么需要执行。

  • STALL : Device 出错

  • NYET : Host only, Not ready.

7.13.2.2.1.4. Special Packet

image9

  • PRE : 由 Host 向 Hub 发送，指示下一个 packet 是 low speed

  • SPLIT : Host only, split transaction

  • ERR : Host only, 由 Hub 向 Host 发送，指示在一次 split transaction 中出错

  • PING : Host only, check status

7.13.2.2.2. Transaction

USB Transactions主要由四种Packet组成： Token Packet 、 Data Packet 、 Handshake Packet 和 Special Packet 。但通常的一次 Transaction 由 3 个 Packets 组成： Token -> Data -> Handshake。

image10

7.13.2.2.2.1. IN/Read/Upstream Transaction

image11

IN Transaction 主要用于 Device 向 Host 发送数据。

  • Host 向 Deivce 发送一个 IN Token Packet

  • Device 如果忙，则回复 NAK Packet, Host 在收到 NAK Pakcet 之后则持续向 Device 发送 IN Token Packet 。

  • 当 Device 准备好时，回复 Data Packet, Host在收到 Data packet 之后回复一个 ACK handshake 。

7.13.2.2.2.2. OUT/Write/Downstream Transaction

image12

OUT Transaction主要用于Host向Device发送数据。

  • Host 向 Deivce 发送一个 OUT Token Packet 和一个 DATA Packet 。

  • Device忙，则回 NAK, Host则会复发 OUT 和 DATA

  • Device在成功收到数据后，回 ACK handshake packet 。

7.13.2.2.2.3. Control Transaction

Control Transaction 最多由3个Stage组成： Setup stage 、 Data stage 、 Status stage 。其中 Data stage 不是必需的，有的 control transaction 没有 data stage 。

7.13.2.2.2.3.1. Setup Stage (Transaction)

Setup stage 中的 setup packet 只会出现在 control transaction 中，Device 必须回 ACK, 不能回 NAK。

image13

7.13.2.2.2.3.2. Data Stage (Transaction)

Data Stage 可以有若干的 Data transaction。这个 stage 只有在 Host 和 Device 需要 data 传输时才会存在，通常 setup stage 的 payload 可以 cover , 这个时候就不需要 data stage。

image14

7.13.2.2.2.3.3. Status Stage (Transaction)

以下是 control read transaction 和 control write tranasaction 分别对应的 status stage。

image15

7.13.2.2.3. Control Transfers

7.13.2.2.3.1. Control No Data (Transfer)

image16

7.13.2.2.3.2. Control Read (Transfer)

image17

7.13.2.2.3.3. Control Write (Transfer)

image18

7.13.2.3. USB 枚举通讯过程

image19

USB 设备在正常工作之前，第一件要做的事情就是枚举。枚举的作用就是让设备从上述状态图中的 Powered 逐步进入 Configured 模式。

Device 内部的逻辑关系

USB 枚举的主要目的是读出设备的所有配置信息。

7.13.2.3.1. USB 设备枚举总体流程

是让 Host 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机制。一个设备枚举的过程分为如下8步：

  1. 获取设备描述符

    • Host/Hub 通过数据线上拉电阻的阻值变化检测到新设备接入。Host 等待 100ms 以保证设备电源稳定。

    • Host 向 device 发 Bus Reset 使得设备进入 default 状态，从此之后，设备可以响应默认地址 0。

    • Host 请求 Device 发送 Device Descriptor 的前 64 个字节。

  2. 复位

    • Host 在收到 Device Descritptor 的前 8 个字节后，再次向 Device 发出 Bus Reset。

  3. 设置地址

    • Host 发送一个 Set Address 命令给 Deivce，从此 Device 有个通信地址，不再使用默认地址 0 进行通信。

  4. 再次获取设备描述符

    • Host 请求获取完整的 Device Descritpor, 总计 18 字节。

  5. 获取配置描述符

    • Host 请求获取 9 个字节的 Configuration Descriptor 以了解 Configuration Descriptor 的总大小。

    • Host 请求 255 字节的 Configuration Descritpor。

  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

下图是接入一个 USB 鼠标之后完整的枚举过程，后面详细逐步分析：

image22

7.13.2.3.2. Tranfser 0 (Control Read) (Get Device Descriptor)

Transfer 0 的作用是 Get Device Descriptor ，它是一个 Control Read 类型的 Transfer 。其中：

  • Transaction 0 ： Setup Stage

  • Transaction 1~3 ： Data Stage

  • Transaction 4 ： Status Stage

image23

7.13.2.3.2.1. Transaction 0 (Setup Stage)

Transfer 0 的第一个事务 Transaction 0 如上图。可以看出，这是一个 Control 事务，设备要执行的命令就是 GET_DESCRIPTOR 也就是获取描述符。其中分为三个包：

  • Packet 134 第一个为令牌包 Setup Token (主机传输给设备)

  • Packet 135 第二个为数据包 Setup Data (主机传输给设备)

  • Packet 136 第三个为握手包 ACK (设备传输给主机)

7.13.2.3.2.1.1. Packet 135 (Setup Data)

主要分析一下第二个包数据包中的DATA字段，包含的就是命令。Data中总共有 8 字节，每字节的含义如下 (USB协议报文是小端模式)：

image24

在 Linux kernel 中，使用一个结构体来表示：

struct usb_ctrlrequest {
    __u8 bRequestType;
    __u8 bRequest;
    __le16 wValue;
    __le16 wIndex;
    __le16 wLength;
} __attribute__ ((packed));

  • bmRequestType

Offset

Field

Size

Value

Description

0

bmRequestType

1

0x80

表示 期望的数据传输方向为 设备传输给主机，这条 命令的接收者为设备。

  • bRequest

Offset

Field

Size

Value

Description

1

bmRequest

1

0x06

代表了 一个命令，根据 Table 9-4 可以得知代表的命令为获取描述符 GET_DESCRIPTOR

image25

  • wValue

Offset

Field

Size

Value

Description

2

wValue

2

0x00 0x01

根据 Table 9-3 可以得知，此时代表的是： Descriptor Type + Descriptor Index

2

Descriptor Index

1

0x00

想要获取的描述符 index 为 0

3

Descriptor Type

1

0x01

根据 Table 9-5 可以得知，想要获取的描述 符为``Device Descriptor``

image26

image27

  • wIndex

Offset

Field

Size

Value

Description

4

wIndex

2

0x00 0x00

根据 Table 9-3 可以 得知，此时代表的是： Zero or Language ID

  • wLength

Offset

Field

Size

Value

Description

6

wLength

2

0x40 0x00

根据 Table 9-3 可以得知，此时代表的是： Description Length 即：请求 Device发送 Device Descriptor 的 前64个字节

7.13.2.3.2.2. Transaction 1 ~ Transaction 3 (Data Stage)

可以看到 Transaction 1 ~ Transaction 3 联合起来从 Device 传递回了 18 个字节的数据给 Host， Transaction 1 和 Transaction 2 分别传输了 8 个字节数据， Transaction 2 传递了 2 个字节数据。

12 01 00 02 00 00 00 08
6D 04 18 C0 01 43 01 02
00 01

这 18 个字节数据就是 Transfer 0 指定要读取的 Device Descriptor ，其具体的格式如 Table 9-8 所示：

image28

注意在这个阶段当中的几个全局 Field 的值：

  • ADDR ：Device Address = 0

  • ENDP ：EndPoint = 0

  • DATA0/DATA1 ：如果多次 Data Transaction 传输的是一段连续数据， DATA0 DATA1 连续翻转。如果多次 Data Transaction 传输的数据是不相关的，则不会翻转。

读回的具体 Device Descriptor 解析如下：

image29

7.13.2.3.2.3. Transaction 4 (Status Stage)

状态阶段用于表示一次控制传输的结束。

首先发送一个 OUT 包，注意令牌包主要是指明传输类型，这里就为 OUT 类型。然后发一个大小为 0 的 DATA 包，Device 回一个 ACK 握手包。本次传输结束。

7.13.2.3.3. Reset (Powered → Default)

image30

Host 向 Device 发送了一个 Reset 信号，由上边的状态图可以看出，USB 由 Powered 模式进入了 Default 模式。

7.13.2.3.4. Tranfser 1 (Control No Data) (Set Device Address) (Default → Address)

Tranfser 1 的主要作用是设置 Device Address ，USB由状态图中的 Default 模式进入了 Address 模式，是一个 Control No Data 类型的 Transfer 。其中：

  • Transaction 5 ： Setup Stage

  • Transaction 6 ： Status Stage

image31

7.13.2.3.4.1. Transaction 5 (Setup Stage)

Packet 275 是核心，其中的 Setup Data 具体解析如下：

Offset

Field

Size

Value

Description

0

bmRequestType

1

0x00

表示期望的 数据传输方 向为主机传 输给设备。

1

bmRequest

1

0x05

代表了一个命令，根据 Table 9-4 可以得知代表 SET_ADDRESS

2

wValue

2

0x03 0x00

根据 Table 9-3 可以得知，此时 代表的是： Device Address 即 ： Device Address = 0x03

4

wIndex

2

0x00 0x00

根据 Table 9-3 可以得知，此时 代表的是： Zero

6

wLength

2

0x00 0x00

根据 Table 9-3 可以得知，此时 代表的是： Zero

7.13.2.3.4.2. Transaction 6 (Status Stage)

状态阶段用于表示一次控制传输的结束。

7.13.2.3.5. Tranfser 2 (Control Read) (Get Device Descriptor)

Transfer 2 的作用是重新获取了一遍设备描述符 Get Device Descriptor ，不同之处不是用默认地址 0 获取的，而是用刚才配置的 Device Address 0x03 来获取的。它是一个 Control Read 类型的 Transfer 。其中：

  • Transaction 7 ： Setup Stage

  • Transaction 8~10 ： Data Stage

  • Transaction 11 ： Status Stage

image32

Transfer 2 和 Transfer 0 的主要区别在于，一是有了明确的设置地址。另外：

  • Transfer 0 第一次获得设备描述符主要为了得到端点0可以发送的数据的大小，所以只要一个 Transaction 1 的8个字节数据就可。

  • Transfer 2 完成了整个设备描述符的读取工作。

7.13.2.3.6. Tranfser 3 (Control Read) (Get Config Descriptor)

Transfer 3 的作用是获取配置描述符 Get Configuration Descriptor ，它是一个 Control Read 类型的 Transfer 。其中：

  • Transaction 12 ： Setup Stage

  • Transaction 13~14 ： Data Stage

  • Transaction 15 ： Status Stage

image33

7.13.2.3.6.1. Transaction 12 (Setup Stage)

Packet 275 是核心，其中的 Setup Data 具体解析如下：

Offset

Field

Size

Value

Description

0

bmRequestType

1

0x80

表示期望的数据传输方向为设备传输给 主机，这条命令的接收者为设备。

1

bmRequest

1

0x06

代表了一个命令，根据 Table 9-4 可以得知代表的命令为获取描述符 GET_DESCRIPTOR

2

wValue

2

0x00 0x02

根据 Table 9-3 可以得知，此时 代表的是： Descriptor Type + Descriptor Index

2

Descriptor Index

1

0x00

想要获取的描述符 index 为 0

3

Descriptor Type

1

0x02

根据 Table 9-5 可以得知，想要 获取的描述符为 Configuration Descriptor

4

wIndex

2

0x00 0x00

根据 Table 9-3 可以得知，此时 代表的是： Zero or Language ID

6

wLength

2

0x09 0x00

根据 Table 9-3 可以得知，此时 代表的是：Description Length 即：请求Device发送 Configuration Descriptor 的9个字节

7.13.2.3.6.2. Transaction 13~14 (Data Stage)

可以看到 Transaction 13~14 联合起来从 Device 传递回了 9 个字节的数据给 Host， Transaction 13 传输了 8 个字节数据， Transaction 14 传递了 1 个字节数据。

09 02 22 00 01 01 00 A0
32

这 9 个字节数据就是 Transfer 12 指定要读取的 Configuration Descriptor ，其具体的格式如 Table 9-10 所示：

image34

读回的具体 Configuration Descriptor 解析如下：

image35

7.13.2.3.6.3. Transaction 15 (Status Stage)

状态阶段用于表示一次控制传输的结束。

7.13.2.3.7. Tranfser 4 (Control Read) (Get 4 Descriptors)

Transfer 4 的作用是一次性获取了4个描述符 Get 4 Descriptors ，它是一个 Control Read 类型的 Transfer 。其中：

  • Transaction 16 ： Setup Stage

  • Transaction 17~21 ： Data Stage

  • Transaction 22 ： Status Stage

从格式上看它使用的命令 Setup Data 和 Transfer 3 一样，仅仅读取长度从 0x09 改成了 0x22 ，就一次性读出了 4 个描述符。 Transfer 3 的主要作用是读取 Descriptors 的总长度， Transfer 4 根据这个长度读取了所有 Descriptors 。

image36

7.13.2.3.7.1. Configuration Descriptor

09 02 22 00 01 01 00 A0
32

Transaction 17~18 提供了 9 字节的 Configuration Descriptor 数据，具体内容和解析如上一节一样。

7.13.2.3.7.2. Interface Descriptor

   09 04 00 00 01 03 01
02 00

Transaction 18~19 提供了 9 字节的 Interface Descriptor 数据，具体内容和解析如下：

image37

Interface Descriptor 具体的格式如 Table 9-12 所示：

image38

7.13.2.3.7.3. HID Descriptor

      09 21 11 01 00 01
22 34 00

Transaction 19~20 提供了 9 字节的 HID Descriptor 数据，具体内容和解析如下：

image39

HID Descriptor 具体的格式如下所示：

image40

7.13.2.3.7.4. Endpoint Descriptor

         07 05 81 03 05
00 0A

Transaction 20~21 提供了 7 字节的 Endpoint Descriptor 数据，具体内容和解析如下：

image41

Endpoint Descriptor 具体的格式如 Table 9-13 所示：

image42

7.13.2.3.8. Tranfser 5 (Control Read) (Get String 0 Descriptor)

Transfer 5 的作用是获取了 index 0 的 String Descriptor ，它是一个 Control Read 类型的 Transfer 。其中：

  • Transaction 23 ： Setup Stage

  • Transaction 24 ： Data Stage

  • Transaction 25 ： Status Stage

image43

7.13.2.3.8.1. Transaction 23 (Setup Stage)

80 06 00 03 00 00 FF 00

Packet 366 是核心，其中的 Setup Data 具体解析如下：

Offset

Field

Size

Value

Description

0

bmRequestType

1

0x80

表示期望的数据传输方向为设备传输给 主机，这条命令的接收者为设备。

1

bmRequest

1

0x06

代表了一个命令，根据 Table 9-4 可以得知代表的命令为获取描述符 GET_DESCRIPTOR

2

wValue

2

0x00 0x03

根据 Table 9-3 可以得知，此时 代表的是： Descriptor Type + Descriptor Index

2

Descriptor Index

1

0x00

想要获取的描述符 index 为 0

3

Descriptor Type

1

0x03

根据 Table 9-5 可以得知，想要获取 的描述符为 String Descriptor

4

wIndex

2

0x00 0x00

根据 Table 9-3 可以得知，此时 代表的是： Zero or Language ID

6

wLength

2

0xFF 0x00

根据 Table 9-3 可以得知，此时 代表的是： Description Length 即：请求 Device 发送 String Descriptor 最大长度 255个字节

7.13.2.3.8.2. Transaction 24 (Data Stage)

可以看到 Transaction 24 联合起来从 Device 传递回了 4 个字节的数据给 Host。

04 03 09 04

index 0 String Descriptor ，表示的是 设备支持的语言。解析格式如下：

image44

所以 Transaction 24 读回的 Language ID 为 0x0409 即美国英语。

7.13.2.3.9. Tranfser 6 (Control Read) (Get String 2 Descriptor)

Transfer 6 的作用是获取了 index 2 的 String Descriptor ，它是一个 Control Read 类型的 Transfer 。其中：

  • Transaction 26 ： Setup Stage

  • Transaction 27~31 ： Data Stage

  • Transaction 32 ： Status Stage

image45

7.13.2.3.9.1. Transaction 26 (Setup Stage)

80 06 02 03 09 04 FF 00

Packet 366 是核心，其中的 Setup Data 具体解析如下：

Offset

Field

Size

Value

Description

0

bmRequestType

1

0x80

表示期望的数据传输方向为设备传输给主机，这条 命令的接收者为设备。

1

bmRequest

1

0x06

代表了一个命令，根据 Table 9-4 可以得知代 表的命令为获取描述符 GET_DESCRIPTOR

2

wValue

2

0x02 0x03

根据 Table 9-3 可以得知，此时代表的是： Descriptor Type + Descriptor Index

2

Descriptor Index

1

0x02

想要获取的描述符 index 为 2

3

Descriptor Type

1

0x03

根据 Table 9-5 可以得知，想要获取的描述符为 String Descriptor

4

wIndex

2

0x09 0x04

根据 Table 9-3 可以得知，此时代表的是： Language ID 即 0x0409 美国英语

6

wLength

2

0xFF 0x00

根据 Table 9-3 可以得知，此时代表的是： Description Length 即：请求Device发送 String Descriptor 最大长度255个字节

7.13.2.3.9.2. Transaction 27~31 (Data Stage)

可以看到 Transaction 27~31 联合起来从 Device 传递回了 36 个字节的数据给 Host。

24 03 55 00 53 00 42 00
20 00 4F 00 70 00 74 00
69 00 63 00 61 00 6C 00
20 00 4D 00 6F 00 75 00
73 00 65 00

index 2 String Descriptor ，表示的是一个字符串。解析格式如下：

image46

即读回了一个 34 字节的 unicode 字符串 55 00 53 00 42 00 20 00 4F 00 70 00 74 00 69 00 63 00 61 00 6C 00 20 00 4D 00 6F 00 75 00 73 00 65 00 转成 Ascii 码为 USB Optical Mouse 。

在上几节读取 Device Descriptor 时， iProduct 字段的值为 0x2 即 index 2 String Descriptor ，所以 iProduct 就是 USB Optical Mouse 。

7.13.2.3.10. Tranfser 7 (Control Read) (Get String 1 Descriptor)

Transfer 7 的作用是获取了 index 1 的 String Descriptor ，它是一个 Control Read 类型的 Transfer 。其中：

  • Transaction 33 ： Setup Stage

  • Transaction 34~36 ： Data Stage

  • Transaction 37 ： Status Stage

image47

解析方式和上一节一样，最终读出了16字节的 unicode 字符串 4C 00 6F 00 67 00 69 00 74 00 65 00 63 00 68 00 转成 Ascii 码为 Logitech 。

即 Device Descriptor 中的 iManufacturer 字段为 Logitech 。

7.13.2.3.11. Tranfser 8 (Control No Data) (Set Configured) (Address → Configured)

Tranfser 8 的主要作用是设置 Configured ，USB由状态图中的 Address 模式进入了 Configured 模式，是一个 Control No Data 类型的 Transfer 。其中：

  • Transaction 38 ： Setup Stage

  • Transaction 39 ： Status Stage

image48

7.13.2.3.11.1. Transaction 38 (Setup Stage)

00 09 01 03 00 00 00 00

Packet 439 是核心，其中的 Setup Data 具体解析如下：

Offset

Field

Size

Value

Description

0

bmRequestType

1

0x00

表示期望的数据传输方向为主机传输给设备

1

bmRequest

1

0x09

代表了一个命令，根据 Tab le 9-4 可以得知 代表的命令为 SET_CONFIGURATION

2

wValue

2

0x01 0x00

根据 Table 9-3 可以得知，此时代表的是： Configuration Value 即配置 0x01

4

wIndex

2

0x00 0x00

根据 Table 9-3 可以得知，此时 Zero

6

wLength

2

0x00 0x00

根据 Table 9-3 可以得知，此时 Zero

7.13.2.3.12. Tranfser 9

好像也没干成什么事。

7.13.2.3.13. Tranfser 10

获得HID描述符。

7.13.2.3.14. Tranfser 11

是枚举成功后，两次host与device之间传输数据。这里只截了部分图。Host每个bInterval这么多时间就对device查询一下，看有没有数据要传，比如有没有键子被按下。每次都是，host向device发送一个IN令牌包，如果没有数据，device就回一个NAK。

image49

7.13.2.3.15. Tranfser 12

image50