USB协议深入分析
2009-12-05 20:01 1154人阅读 评论(1) 收藏 举报
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现在非常流行USB设备，时时刻刻都在我们身边，比如使用U盘，使用MP3，使用手机，都需要与PC的USB通讯。通过USB的接口，使用我们的生活非常方便了，想什么时候听歌，就可以插入MP3到PC机那里，然后再从PC上下载MP3。这个过程在用户看来是非常的简单，不需要安装驱动程序，不需要断掉PC机的电源。真正体现“科技以人为本”的思想。使用这么方便的U盘或者MP3，那么我们又需要去问个为什么了，为什么会这么方便呢？往往方便的背后，就意味着需要工程师做大量的工作，才会让大家使用USB这么方便。下面就来详细地分析USB的协议。
USB通讯是非常复杂的，刚刚协议定义就厚厚的一本，要完全地去看完，并且理解它，是很费时间的事情。希望本文可以提供给你一个非常好的指导，让你深入地理解USB的协议。USB的协议是主从协议，在所有通讯里，只有一个主控器，其它都是从设备。最多能接127个从设备，因为协议里只保留了7bit作为设备地址。所有的USB数据交流都是由主控器发起，其它从设备进行响应。现在就以WINDOWS上的USB通讯来学习一下USB的通讯协议，后面所有提到的数据，都是WINDOWS上的USB驱动程序发下来的数据。
为了把所有通讯数据都显示出来，我找到了一个USB的ARM开发板，通过这个开发板，就可以把主控器所有数据打印出来，并作相应的分析。同时，使用这个开发板，也可以用来调试龙芯的主控器驱动程序的调试。
当USB的开发板加电时，就会先初始化USB的连接，但没有插入PC的连接线，这时开发板就会从串口输出下面的字符：
USB Suspend
USB Resume
从上面看到，从设备的USB一直不断地挂起和唤醒，直到插入PC的连接线。当插入连接线到PC时，就会收到主控器发来的信息。下面的数据，就是开发板与USB主控器交流的数据。
1. 收到主控器的获取设备描述符配置包。
Setup m=0,n=0,val=37
80 06 00 01 00 00 40 00
这是主控器发来第一个配置包数据。由于主控器不知道USB设备设备描述符有多长，所以包的最后里的长度是0x0040，也就是64个字节长度。
REQUEST_STANDARD=0x6
USB_DEVICE_DESCRIPTOR_TYPE(0)
根据USB的协议，分析上面的数据，就知道它是获取设备描述符。为了实现即插即用，就需要对插入来的设备进行获取描述信息，才知道这个USB的设备是什么样的设备，是U盘，还是HID的键盘。因此，USB设备就返回下面的数据给主控器：
USB_DataInStage,cnt=18,EP0Data.Count=18
12 01 10 01 00 00 00 40 00 80 00 80 00 01 04 2C 4A 01
这条数据，就是USB的设备描述符，描述了这个设备使用什么USB的协议版本，这里是1.1的版本，还有厂家标识、产品标识，以及厂家、产品和序列号等字符串的偏移地址。
USB_EVT_IN,USB_DataInStage
USB_DataInStage,cnt=0,EP0Data.Count=0
USB_EVT_OUT
通过设备描述符，就可以让主控器知道这个设备是使用什么版本的USB协议，是高速的设备，还是低速的设备，是谁产生的，是什么产品，然后操作系统就可以通过这些信息去找到相应的驱动程序，如果操作系统没有找到相应的驱动程序，就会提示用户插入光盘，或者其它方来安装相应的驱动程序。
2. 收到主控器的设置设备地址配置包。
Setup m=0,n=0,val=37
00 05 01 00 00 00 00 00
这条数据，根据USB的协议，就可以知道它是设置USB设备的地址配置包。它的作用，就是分配USB设备的地址，由于USB总线上可以有127个设备，那么每个设备都需要分配一个唯一的地址才通讯，这跟网卡的MAC地址的作用是一样的。其实，就像分配门牌号，让大家看到那个门牌就知道什么房了。
从下面的数据分析来看，是分配地址为1.
REQUEST_STANDARD=0x5
USB_DeviceAddress=129
USB_EVT_IN,USB_SetAddress(1)
3. 收到主控器的获取设备描述符配置包。
Setup m=0,n=0,val=37
80 06 00 01 00 00 12 00
再次收到获取设备描述符的配置包，由于第一次不知道设备描述符有多大，因而总是发送一个最大数据的包，就是64个字节大，现在知道描述符的大小为0x0012个大小了，就把它发送下来了。所以USB设备再次回应设备描述符就可以了。
REQUEST_STANDARD=0x6
USB_DEVICE_DESCRIPTOR_TYPE(1)
USB_DataInStage,cnt=18,EP0Data.Count=18
12 01 10 01 00 00 00 40 00 80 00 80 00 01 04 2C 4A 01
在这里再次回应设备描述符。
USB_EVT_IN,USB_DataInStage
USB_DataInStage,cnt=0,EP0Data.Count=0
4. 收到配置描述符包
Setup m=0,n=0,val=45
80 06 00 02 00 00 09 00
根据USB协议可以知道，这是一个配置描述符的包，也就是让USB设备发送本设备有多少个配置方式给主控器。由于USB的设备是多种多样，满足不同的用户需要的。比如鼠标和键盘，就是不同的设备了。还有MP3播放器，还有各种数码相机等等，都是不一样的设备了。就可以通过下面的方式来说明这个配置有多少种方式，主要是通讯的方式。
REQUEST_STANDARD=0x6
USB_CONFIGURATION_DESCRIPTOR_TYPE(2)(Offset=0x0)
USB_DataInStage,cnt=9,EP0Data.Count=9
09 02 22 00 01 01 00 01 32
这里就是USB设备返回配置描述符给主控器的，它主要说明了这个设备有多少个配置，比如定义端点的类型，端点的传送方式，还有这个设备使用USB总线的电源多少。
USB_EVT_IN,USB_DataInStage
USB_DataInStage,cnt=0,EP0Data.Count=0
5. 收到字符串描述符包
Setup m=0,n=0,val=45
80 06 00 03 00 00 FF 00
这里收到获取字符串描述符。由于在设备描述符里已经说明字符串描述符在那里，主要是偏移地址，比如04就是厂家的描述符。
REQUEST_STANDARD=0x6
USB_STRING_DESCRIPTOR_TYPE(3)(Offset=0x0)
USB_DataInStage,cnt=4,EP0Data.Count=4
04 03 09 04
这里返回偏移地址为0的字符串描述，其实那里是保存字符串描述符的语言描述标识，这里英语的标识，0X0409。
USB_EVT_IN,USB_DataInStage
USB_DataInStage,cnt=0,EP0Data.Count=0
6. 收到字符串描述符包
Setup m=0,n=0,val=45
80 06 4A 03 09 04 FF 00
这时收到获取字符串描述符，根据偏移地址，就知道它是想返回0x4A的字符串，也就是字符串描述符里的偏移地址。
REQUEST_STANDARD=0x6
USB_STRING_DESCRIPTOR_TYPE(4)(Offset=0x4A)
USB_DataInStage,cnt=36,EP0Data.Count=36
24 03 43 00 41 00 49 00 32 00 30 00 30 00 37 00 30 00 33 00 32 00 35 00 20 00 31 00 2E 00 30 00 2E 00 30 00
USB设备返回0x4A的字符串给PC。这里是我放置的字符串：
CAI20070325 1.0.0
它作为产品的序列号。由于采用UNICODE编码，所有高位字节全是0。由于USB协议是使用小端格式来发送数据，所以都低位在前，高位在后。这样在PC那里就可以看到USB设备的产品序列号了。又前进了一步。
USB_EVT_IN,USB_DataInStage
USB_DataInStage,cnt=0,EP0Data.Count=0
7. 收到第二个配置描述符包
Setup m=0,n=0,val=45
80 06 00 02 00 00 FF 00
这里收到是第二个配置描述符包，与第一个的区别是返回长度不同。
第一个配置包返回的长度是9个字节，而这里的长度是255。
REQUEST_STANDARD=0x6
USB_CONFIGURATION_DESCRIPTOR_TYPE(5)(Offset=0x0)
USB_DataInStage,cnt=34,EP0Data.Count=34
09 02 22 00 01 01 00 01 32 09 04 00 00 01 03 00 00 6E 09 21 00 01 00 01 22 24 00 07 05 81 03 40 00 20
在这里返回全部配置描述给PC，让PC知道USB设备所有的配置。在这里包括设备配置，接口配置，端点配置，还有设备特别配置信息。
USB_EVT_IN,USB_DataInStage
USB_DataInStage,cnt=0,EP0Data.Count=0
8. 收到字符串描述符包
Setup m=0,n=0,val=45
80 06 00 03 00 00 FF 00
收到PC的字符串描述符，后面设备就返回。
REQUEST_STANDARD=0x6
USB_STRING_DESCRIPTOR_TYPE(6)(Offset=0x0)
USB_DataInStage,cnt=4,EP0Data.Count=4
04 03 09 04
返回设备描述符的语言定义。
USB_EVT_IN,USB_DataInStage
USB_DataInStage,cnt=0,EP0Data.Count=0
9. 收到字符串描述符包
Setup m=0,n=0,val=45
80 06 2C 03 09 04 FF 00
收到PC需要产品字符串。
REQUEST_STANDARD=0x6
USB_STRING_DESCRIPTOR_TYPE(7)(Offset=0x2C)
USB_DataInStage,cnt=30,EP0Data.Count=30
1E 03 42 00 69 00 67 00 53 00 6C 00 6F 00 70 00 65 00 33 00 44 00 20 00 48 00 49 00 44 00
这里USB设备返回产品字符串给PC了。
USB_EVT_IN,USB_DataInStage
USB_DataInStage,cnt=0,EP0Data.Count=0
10. 收到字符串描述符包
Setup m=0,n=0,val=45
80 06 00 03 00 00 FF 00
这里收到字符串描述符。
REQUEST_STANDARD=0x6
USB_STRING_DESCRIPTOR_TYPE(8)(Offset=0x0)
USB_DataInStage,cnt=4,EP0Data.Count=4
04 03 09 04
返回语言标识。
USB_EVT_IN,USB_DataInStage
USB_DataInStage,cnt=0,EP0Data.Count=0
11. 收到字符串描述符包
Setup m=0,n=0,val=45
80 06 2C 03 09 04 FF 00
收到PC需要产品字符串。
REQUEST_STANDARD=0x6
USB_STRING_DESCRIPTOR_TYPE(9)(Offset=0x2C)
USB_DataInStage,cnt=30,EP0Data.Count=30
1E 03 42 00 69 00 67 00 53 00 6C 00 6F 00 70 00 65 00 33 00 44 00 20 00 48 00 49 00 44 00
这里USB设备返回产品字符串给PC了。
USB_EVT_IN,USB_DataInStage
USB_DataInStage,cnt=0,EP0Data.Count=0
12. 收到字符串描述符包
USB_EVT_OUT
Setup m=0,n=0,val=37
80 06 00 03 00 00 FF 00
这里收到字符串描述符。
REQUEST_STANDARD=0x6
USB_STRING_DESCRIPTOR_TYPE(10)(Offset=0x0)
USB_DataInStage,cnt=4,EP0Data.Count=4
04 03 09 04
返回语言标识。
USB_EVT_IN,USB_DataInStage
USB_DataInStage,cnt=0,EP0Data.Count=0
1. 收到字符串描述符包
Setup m=0,n=0,val=45
80 06 2C 03 09 04 FF 00
收到PC需要产品字符串。
REQUEST_STANDARD=0x6
USB_STRING_DESCRIPTOR_TYPE(11)(Offset=0x2C)
USB_DataInStage,cnt=30,EP0Data.Count=30
1E 03 42 00 69 00 67 00 53 00 6C 00 6F 00 70 00 65 00 33 00 44 00 20 00 48 00 49 00 44 00
这里USB设备返回产品字符串给PC了
USB_EVT_IN,USB_DataInStage
USB_DataInStage,cnt=0,EP0Data.Count=0
2. 收到字符串描述符包
Setup m=0,n=0,val=45
80 06 00 03 00 00 FF 00
REQUEST_STANDARD=0x6
USB_STRING_DESCRIPTOR_TYPE(12)(Offset=0x0)
USB_DataInStage,cnt=4,EP0Data.Count=4
04 03 09 04
USB_EVT_IN,USB_DataInStage
USB_DataInStage,cnt=0,EP0Data.Count=0
Setup m=0,n=0,val=45
80 06 2C 03 09 04 FF 00
REQUEST_STANDARD=0x6
USB_STRING_DESCRIPTOR_TYPE(13)(Offset=0x2C)
USB_DataInStage,cnt=30,EP0Data.Count=30
1E 03 42 00 69 00 67 00 53 00 6C 00 6F 00 70 00 65 00 33 00 44 00 20 00 48 00 49 00 44 00
USB_EVT_IN,USB_DataInStage
USB_DataInStage,cnt=0,EP0Data.Count=0
3. 收到字符串描述符包
USB_EVT_OUT
Setup m=0,n=0,val=45
80 06 00 01 00 00 12 00
这里收到需要返回厂商字符串的请求。
REQUEST_STANDARD=0x6
USB_DEVICE_DESCRIPTOR_TYPE(14)
USB_DataInStage,cnt=18,EP0Data.Count=18
12 01 10 01 00 00 00 40 00 80 00 80 00 01 04 2C 4A 01
在这里返回设备的厂商字符串给PC。
USB_EVT_IN,USB_DataInStage
USB_DataInStage,cnt=0,EP0Data.Count=0
4. 收到第三个配置描述符包
Setup m=0,n=0,val=45
80 06 00 02 00 00 09 00
REQUEST_STANDARD=0x6
USB_CONFIGURATION_DESCRIPTOR_TYPE(15)(Offset=0x0)
USB_DataInStage,cnt=9,EP0Data.Count=9
09 02 22 00 01 01 00 01 32
USB_EVT_IN,USB_DataInStage
USB_DataInStage,cnt=0,EP0Data.Count=0
5. 收到第四个配置描述符包
Setup m=0,n=0,val=45
80 06 00 02 00 00 22 00
REQUEST_STANDARD=0x6
USB_CONFIGURATION_DESCRIPTOR_TYPE(16)(Offset=0x0)
USB_DataInStage,cnt=34,EP0Data.Count=34
09 02 22 00 01 01 00 01 32 09 04 00 00 01 03 00 00 6E 09 21 00 01 00 01 22 24 00 07 05 81 03 40 00 20
根据长度返回不同的数据。
USB_EVT_IN,USB_DataInStage
USB_DataInStage,cnt=0,EP0Data.Count=0
6. 收到设置描述符包
Setup m=0,n=0,val=45
00 09 01 00 00 00 00 00
REQUEST_STANDARD=0x9
USB_SetConfiguration WB.L =1
USB_Configure(TRUE)
USB_SetConfiguration true
由上面可以知道经过这么多次来回后，主控器已经配置完成，对这个设备可以使用了。这时，如果在WINDOWS里就会看到可以设备安装完成，可以使用了。
7. 收到设置空闲描述符包
Setup m=0,n=0,val=37
21 0A 00 00 00 00 00 00
收到这个描述符，就表明设备在空闲状态。
8. 收到HID的报告描述符包
Setup m=0,n=0,val=37
81 06 00 22 00 00 64 00
由于在配置描述符里，我把这个设备描述成HID的设备，所以会收到HID的报告描述符。
REQUEST_STANDARD=0x6
REQUEST_TO_INTE**CE (0x22)
HID_REPORT_DESCRIPTOR_TYPE
USB_DataInStage,cnt=36,EP0Data.Count=36
06 00 FF 09 01 A1 01 19 01 29 08 15 00 25 FF 95 3F 75 08 81 02 19 01 29 08 15 00 25 FF 95 3F 75 08 91 02 C0
这里就返回报告描述的类型，说明每次发送数据报告的大小，还有数据的格式。这里是返回63个字节输出，63个输入的描述符。
USB_EVT_IN,USB_DataInStage
USB_DataInStage,cnt=0,EP0Data.Count=0
USB_EVT_OUT
到这里就把USB设备初始化完成了。从上面可以知道，要想配置一个USB设备，需要经过20个来回才能完成配置，这个过程是非常多的。如果在调试过程中，只要任何一个地方出错，都不会配置成功的。如果再加上硬件的出错，就需要花费更长的时间了。可见，USB的设备虽然非常方便使用，但是花费了工程师大量的精力和相当多的时间。因而USB是一个非常值钱的设备。目前USB设备已经非常流行，今后PC机与外设的通讯，大部份都是使用USB设备来完成的。完全会取代串口、并口的通讯。我看到有一个厂家开发的USB设备，就200多种，从USB风扇到USB电话，从USB网络到USB装饰品，比如USB接口的彩灯。还有通过USB控制的按摩器等健身器材等等。希望你看到本文之后，又可以开发一款更好的USB设备到来了。
在龙芯电脑里，已经没有软驱，那么它是通过USB的U盘来启动的，这样就需要配置USB的设备，所以龙芯里的BIOS是非常复杂的，龙芯的PMON还在继续地开发支持USB的键盘、USB的鼠标，这样完全可以不使用任何的PS2的设备了，可以直接任何时间插入鼠标、键盘，都可以正常地使用，不像PS2那样，需要重新启动操作系统。我希望龙芯的电脑，以后增加一个USB的设备在那里，直接通过那个设备就可以连接到其它PC机，可以共享数据，并不需要网络的配置。
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