USB协议深入分析

本是古典何须时尚 2022-08-09 14:52 238阅读 0赞

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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\_INTERFACE (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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