USB 的工作原理：枚举和配置（第 3 部分）

在上一个教程中，我们了解了 USB 装备如何与主机控制器通信。现在，我们将在本教程中了解 USB 描述符的妙处及其在枚举和配置过程中的作用，这使得 USB 装备可热插拔，因此事不宜迟，让我们深入研究它。
要理解 USB 描述符，起首我们需要很好地理解什么是 USB 请求！它们本质上只是主机发送到 USB 装备以与其通信的数据包。下面提到的是协议支持的 USB 请求类型。

• 标准请求：这些请求由 USB 规范定义，每个装备都必须理解它们。它们执行获取装备信息、设置配置和检查状态等根本使命。
  
• 类别请求：这些请求特定于特定装备类别（例如打印机、存储装备），并由相关类别规范定义。它们允许对装备功能举行更详细的控制。
  
• 供应商请求：这些请求由装备制造商定义，允许特定于供应商的控制和功能。
  

这里要留意的关键点是所有请求的布局都保持稳定。现在了解了这一点，我们将了解 USB 描述符是什么：
USB 描述符

USB 描述符是指充当装备身份证的小信息包。这些描述符就像装备本身的手册，它们告诉主机需要了解的有关装备的所有信息，以便正确通信和利用装备。
描述符的类型

1.装备描述符
假设您刚刚将一个新的 USB 装备插入计算机，它可能是闪存驱动器、打印机、网络摄像头或任何其他利用 USB 的装备。嗯，你知道的，对吧？计算机如何知道它是什么或如何与它通信？这就是装备描述符的作用所在！
当装备插入时，主机向装备发出的第一个请求是装备描述符。它为主机提供了理解装备并与装备正确交互所需的所有根本信息。装备描述符包含下表中给出的字段。
OffsetFieldSize (Bytes)Description0bLength1描述符的长度为18字节1bDescriptorType1描述符类型为 DEVICE （01h）2bcdUSB2USB 规范版本 (BCD)4bDeviceClass1装备类别5bDeviceSubClass1装备子类6bDeviceProtocol1装备协议7bMaxPacketSize01端点 0 的最大数据包大小8idVendor2供应商 ID10idProduct2产物 ID12bcdDevice2装备版本号 (BCD)14iManfacturer1制造商字符串索引16iSerialNumber1序列号字符串的索引17bNumConfigurations1支持的配置数量

• bLength：这是装备描述符的总长度（以字节为单位）。
  
• bcdUSB：这是一个二进制编码的十进制值，利用 0xAABC 格式，其中 A 是主版本号，B 是次版本号，C 是次次版本号，用于报告装备的 USB 版本，以帮助主机加载须要的驱动程序。例如，USB 1.1 的值为 0x0110。
  
• 主机利用bDeviceClass、bDeviceSubClass 和 bDeviceProtocol在枚举过程中辨认 USB 装备的驱动程序。大多数 USB 装备在接口描述符中定义其类别，并将这些字段保存为 00h。
  
• bMaxPacketSize报告端点 0 支持的最大数据包数量。根据装备差别，可能的大小为 8 字节、16 字节、32 字节和 64 字节。
  
• iManufacturer、iProduct 和 iSerialNumber是字符串描述符的索引。字符串描述符提供有关制造商、产物和序列号的详细信息。如果存在字符串描述符，这些变量应指向其索引位置。如果不存在字符串，则应为相应字段分配零值。
  
• bNumConfigurations定义装备可以支持的配置总数。多个配置允许装备根据某些条件（例如总线供电或自供电）举行差别配置。
  

2.配置描述符
配置描述符提供了有关 USB 装备特定配置的根本信息。它概述了装备的构造方式以及装备与主机体系的交互方式。表中列出了配置描述符中涵盖的关键方面：
OffsetFieldSize (Bytes)Description0bLength1The length of this descriptor is 9 bytes1bDescriptorType1The descriptor type CONFIGURATION (02h).2wTotalLength2Total length, including interface and endpoint descriptors.4bNumInterfaces1The number of interfaces in this configuration5bConfigurationValue1Configuration value used by SET_CONFIGURATION to select this configuration6iConfiguration1Index of string that describes this configuration7bmAttributes1Bit 7: Reserved (set to 1) Bit 6: Self-powered Bit 5: Remote wakeup8bMaxPower1Maximum power required for this configuration.

• wTotalLength： USB装备配置描述符的长度。
  
• bNumInterfaces：它定义了此特定配置中可能的接口总数，其最小值应为 1。
  
• bConfigurationValue：定义装备上可用配置的数量。
  
• bmAttributes：定义 USB 装备的参数。如果装备是总线供电的，则位 6 设置为 0；如果装备是自供电的，则位 6 设置为 1。如果 USB 装备支持远程唤醒，则位 5 设置为 1。如果不支持远程唤醒，则位 5 设置为 0。
  
• bMaxPower：定义装备完全运行时从总线吸取的最大功耗。
  

3.接口关联描述符（IAD）
IAD 的重要目的是将多个接口组合成一个功能单元。这确保主机能够辨认它们并将它们作为一个同一的实体举行交互。早期的 USB 规范本身并不支持多接口功能。为了办理这一限制并增加对最新、更复杂装备的支持，引入了 IAD。
OffsetFieldSize (Bytes)Description0bLength1Description size in bytes1bDescriptorType1Descriptor type = INTERFACE ASSOCIATION (0Bh)2bFirstInterface1Number identifying the first interface associated with the function3bInterfaceCount1The number of contiguous interfaces associated with the function4bFunctionClass1Class code5bFunctionSubClass1Subclass code6bFunctionProtocol1Protocol code7iFunction1Index of string descriptor for the function

• bLength：描述符的总长度（8字节）。
  
• bDescriptorType：将其标识为 IAD (0x0B)。
  
• bFirstInterface：属于该功能的第一个接口的编号。
  
• bInterfaceCount：函数中的接口数量。
  
• bFunctionClass、bFunctionSubClass、bFunctionProtocol：该函数的类、子类和协议代码。
  
• iFunction：函数名称的字符串描述符的可选索引。
  

4.接口描述符
它是一种定义 USB 装备内端点集合的数据布局。它充当装备如何与主机通信的蓝图。每个接口代表装备的差别功能。IAD 的重要目的是向主机提供有关特定接口的信息，包括：

• 类别代码（例如音频、HID、大容量存储）
  
• 端点（数据传输通道）
  
• 通信所用协议
  
• 备用设置（同一接口的差别配置）
  

下表定义了数据包中包含的内容
OffsetFieldSize (Bytes)Description0bLength1The length of this descriptor is 9 bytes1bDescriptorType1Descriptor type = INTERFACE (04h)2bInterfaceNumber1Zero based index of this interface3bAlternateSetting1Alternate setting value4bNumEndpoints1Number of endpoints used by this interface (not including EP0)5bInterfaceClass1Interface class6bInterfaceSubclass1Interface subclass7bInterfaceProtocol1Interface protocol8iInterface1Index to string describing this interface

• bLength：描述符的总长度
  
• bDescriptorType：标识其为接口描述符
  
• bInterfaceNumber：接口的唯一编号
  
• bAlternateSetting：正在描述的替代设置的编号
  
• bNumEndpoints：接口bInterfaceClass利用的端点数量，
  
• bInterfaceSubClass、bInterfaceProtocol：定义装备类和特定协议iInterface：提供人类可读名称的字符串描述符的索引。
  

5.端点描述符
此描述符提供有关 USB 装备内特定端点的根本信息。它告诉主机如何与该端点通信以举行数据传输。每个端点都有一个用于特定方向（输入或输出）数据流的唯一通道。
下表表现端点描述符的布局：
OffsetFieldSize (Bytes)Description0bLength1The length of this descriptor is 7 bytes1bDescriptorType1The type of descriptor is ENDPOINT (05h)2bEndpointAddress1Bit 3…0: The endpoint number Bit 6…4: Reserved, reset to zero Bit 7: Direction. Ignored for Control 0 = OUT endpoint 1 = IN endpoint3bmAttributes1Bits 1…0: Transfer Type 00 = Control 01 = Isochronous 10 = Bulk 11 = Interrupt If not an isochronous endpoint, bits 5…2 are reserved and must be set to zero. If isochronous, they are defined as follows: Bits 3…2: Synchronization Type 00 = No Synchronization 01 = Asynchronous 10 = Adaptive 11 = Synchronous Bits 5…4: Usage Type 00 = Data endpoint 01 = Feedback endpoint 10 = Implicit feedback Data endpoint 11 = Reserved4wMaxPacketSize2Maximum packet size for this endpoint5bInterval1Polling interval in milliseconds for interrupt endpoints (1 for isochronous endpoints, ignored for control or bulk)

• bLength：描述符的总长度（7 个字节）。
  
• bDescriptorType：将其标识为端点描述符（0x05）。
  
• bEndpointAddress：指定端点的地点和方向（位 7 表现 IN 或 OUT）。
  
• bmAttributes：定义端点的传输类型（控制、停止、批量或等时）。
  
• wMaxPacketSize：指示端点可以处置惩罚的最大数据包大小。
  
• bInterval：对于停止和等时端点，指定轮询间隔。
  

6.字符串描述符
此描述符提供人性化文本字符串来描述 USB 装备的各个方面。它是可选的，但为了方便用户利用和进步兼容性，建议利用。在语言方面，装备可以支持多种语言，而且可以为每种支持的语言提供差别的字符串描述符。字符串描述符可以包含以下信息：

• 装备名称
  
• 制造商名称
  
• 产物名称
  
• 序列号
  
• 接口名称
  
• 端点名称
  
• 配置名称
  

OffsetFieldSize (Bytes)Description0bLength1The length of this descriptor is 7 bytes1bDescriptorType1The descriptor type is STRING (03h).2bString -or wLangIDVariesUnicode encoded text string -or LANGID code

• bLength：描述符的总长度（变量）。
  
• bDescriptorType：标识其为字符串描述符（0x03）。
  
• bString：语言代码（例如，0 表现英语，4097 表现美国英语）。
  
• wString：以 UTF-16LE 编码的 Unicode 文本字符串。
  

好吧，到现在为止，本教程可能看起来有点太详细了，只有表格和定义，对吧？但现在，我们将了解这些表在枚举和配置过程中的用法，这使得 USB 协议具有通用性，而且利用此协议的装备可热插拔。
USB 枚举和配置

热插拔 USB 装备的神奇之处在于

• 动态检测
  
• 枚举
  
• 配置
  

动态检测

主机控制器监控 USB 端口的 D+ 和 D- 线上的转换，端口的 D+ 和 D- 线上的转换指示新毗连的装备并确定装备的速率，如 USB 速率部分所述。但这里有个陷阱！主机只能确定装备是支持低速照旧全速，高速装备呢？请记住这一点，这个标题的答案只在下一部分给出！
一旦 USB 主机检测到装备的速率，它就会通过将端口的 D+ 和 D- 线拉低来重置装备。这是由于端口上的 D+ 和 D- 线在主机端毗连有下拉电阻。主机控制器通过将 D+ 和 D- 线拉低凌驾 2.5 us 来发出重置状态，主机控制器将此状态保持 10ms。在重置状态期间，高速装备发出单个 K 状态。高速集线器会检测到这种情况并以一系列“KJKJKJ”模式举行响应。装备检测到此模式并从其 D+ 线中移除上拉电阻。如果集线器未返回此模式，则表现集线器不支持高速装备，装备以全速运行。
枚举和配置

现在，主机掌握了装备速率信息，它开始通过默认地点 00h 上的控制端点 (EP0) 与装备通信。这里要留意的重点是，一次只能枚举一个装备，这意味着一次只能有一个装备获取 00h 地点。控制端点是双向的，控制事务通过此端点执行。在上一个教程中，我们了解了如何执行控制事务；在本教程中，我们将了解它们的重要性。
主机向装备发送GET_DESCRIPTOR命令，从装备获取装备描述符，从装备描述符的第八个字节（bMaxPacketSize0）中确定端点零支持的最大数据包大小。

那么，标题来了：如果事先不知道控制端点的最大数据包大小，那么主机如何吸取 18 字节的装备描述符呢？ 假设控制端点支持的最大数据包为 8 字节，那么装备会将描述符分成 8-8-2 字节的小块发送，这适用于所有类型的描述符。
获取装备描述符后，主机再次重置装备，并通过控制事务向装备发送 SET_ADDRESS 命令，为 USB 装备分配新地点。今后的所有通信都将利用新地点。装备从重置中返回后，主机利用新分配的地点发出命令 GET_DESCRIPTOR，以从装备读取描述符。但是，这次读取了所有描述符。主机利用此信息来了解装备及其功能。此信息包括外设接口数量、电源毗连方法和所需的最大功率。此请求不仅返回配置描述符，还返回与其关联的所有其他描述符，例如接口描述符和端点描述符。
收到所有描述符后，主机利用 SET_CONFIGURATION 请求设置特定装备配置，然后主机加载装备驱动程序。主机搜索驱动程序来管理其自身与装备之间的通信。Windows 计算机利用其 .inf 文件来查找装备产物 ID 和供应商 ID 的匹配项。装备现在处于配置状态，可以从 VBUS 获得所需的功率，现在可以在应用程序中利用了。

这结束了枚举和配置过程，这使得主机控制器无需外部驱动程序或支持软件即可获得有关如何与 USB 装备通信的完整手册。
USB类

USB 类是指定义 USB 装备和接口的功能和性能的差别规范或标准。这些类可确保差别制造商生产的装备之间的兼容性。以下是一些常见的 USB 类：
标准类

• 标准类由官方 USB 规范定义，适用于常见装备类型。它们兼容差别的操作体系和主机装备。标准类的一些示例包括：
  
• USB 人机接口装备 (HID)：此类用于键盘、鼠标、游戏控制器和操纵杆等装备。它允许操作体系辨认这些装备，而无需额外的驱动程序。
  
• USB 大容量存储：USB 闪存驱动器、外部硬盘驱动器和存储卡读卡器等装备属于此类。它们可以轻松存储和检索数据。
  
• USB 音频：此类用于扬声器、麦克风、耳机和声卡等音频装备。它允许通过 USB 毗连传输音频数据。
  
• USB 视频：网络摄像头和数码相机等用于捕捉或传输视频的装备利用此类。USB 视频装备通常遵照 USB 视频装备类 (UVC) 标准。
  
• USB 打印机：支持打印、扫描和传真功能的打印机和多功能装备通常服从 USB 打印机类规范。
  
• USB 通信装备类 (CDC)：此类包括调制解调器、串行端口和网络适配器等装备。它促进装备与主机之间的通信。
  

供应商特定类

供应商特定类不属于官方 USB 规范，而是由供应商实行，以提供其产物独有的专门功能或特性，并让制造商在筹划装备时拥有更大的灵活性。这些类可能需要供应商特定的驱动程序或软件才能正常运行，而且可能与所有操作体系或主机装备不兼容。
查看 USB 描述符

在 Windows 上

我们可以利用 USB 装备树查看器在 Windows 上查看 USB 描述符，这是一个免费软件，可以通过此链接下载。以下是 USB 拇指驱动器描述符信息的几个快照。

在 Linux 上

在 Linux 上无需安装任何附加软件，我们可以利用 Linux USB 实用程序包，通过在终端上利用命令 lsusb。

在图中，您可以看到 USB 存储装备毗连到总线 001，装备地点为 002。我们可以利用 lsusb 命令提供的选项来获取装备描述符。我们将利用 -s 选项和 -v 选项来定位特定装备以获取描述符。

本系列教程介绍了 USB 2.0 规范，介绍了 USB 数据传输在物理层面的实现方式、差别的 USB 速率以及总线的电力传输。接下来，我们了解了如何通过主机控制器利用的轮询机制在总线上举行通信，在本教程中，我们介绍了 USB 描述符如何充当存储在 USB 装备本身中的手册，这些手册在枚举和配置的差别阶段提供给主机控制器，以利用 USB 装备的功能。

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