USB入门系列之六 —— USB设备的枚举过程

USB主机在检测到USB设备插入后，就要对设备进行枚举了。为什么要枚举呢？枚举就是从设备读取一些信息，知道设备是什么样的设备，如何进行通信，这样主机就可以根据这些信息来加载合适的驱动程序。调试USB设备，很重要的一点就是USB的枚举过程，只要枚举成功了，那么就已经成功大半了。
    在说枚举之前，先大概说一下USB的一种传输模式——控制传输。这种传输在USB中是非常重要的，它要保证数据的正确性，在设备的枚举过程中都是使用控制传输。控制传输分为三个过程：①建立过程。②可选的数据过程。③状态过程。建立（Setup）过程都是由USB主机发起，它开始于一个Setup令牌包，后面紧跟一个DATA0包。如果是控制输入传输，那么数据过程就是输入数据；如果是控制输出传输，那么数据过程是输出数据。如果在设置过程中，指定了数据长度为0，则没有数据过程。数据过程之后是状态过程。状态过程刚好与数据过程的数据传输方向相反：如果是控制输入传输，则状态过程是一个输出数据包；如果是控制输出传输，则状态过程是一个输入数据包。状态阶段用来确认所有的数据都已经正确传输。
    好了，下面我们来看看枚举的详细过程。
    首先，USB主机检测到USB设备插入后，就会先对设备复位。设备复位后，USB主机就会对地址为0的设备发送获取设备描述符的标准请求。所有的USB设备在总线复位后其地址都为0，这样主机就可以跟那些刚刚插入的设备通过地址0通信。主机在建立阶段发出获取设备描述符的输入请求，设备收到该请求后，在数据过程将设备描述符返回给主机。主机在成功获取到一个数据包的设备描述符后并且确认没有什么错误后（注意：有些USB设备的端点0大小不足18字节（但至少具有8字节），而标准的设备描述有18字节，在这种情况下，USB设备只能暂时按最大包将部分设备描述符返回，而主机在成功获取到前面一部分描述符后，就不会再请求剩下的设备描述符部分，而是进入设置地址阶段），就会返回一个0长度的状态数据包给设备。
    然后主机再对设备复位一下，接下来就会进入到设置地址阶段。这时USB主机发出一个设置地址的请求（建立过程，设置地址无数据过程），地址包含在建立包中，具体的地址USB主机会负责管理，它会分配一个唯一的地址给新的设备。USB设备在收到地址后，返回0长度的状态包，主机收到0长度的状态包之后，会返回一个ACK给设备。设备在收到这个ACK之后，就可以启用新的地址了。这样设备就分配到了一个唯一的设备地址，以后主机就通过它来进行访问该设备。
    然后主机再次获取设备描述符，这次跟第一次可能有点不一样，这次需要获取完全部的18个字节的设备描述符。当然，如果你的端点0缓冲大于18字节的话，那就跟第一次的情形一样了。
    接下来，主机就会获取配置描述符。配置描述符总共为9字节。主机在获取到配置描述符后，根据里面的配置集合总长度，再获取配置集合。配置集合包括配置描述符，接口描述符，端点描符等等。
    如果有字符串描述符的话，还要获取字符串描述符。另外HID设备还有HID描述符等。使用BUS HOUND以及通过串口返回信息，很容易看到具体的过程。总之是主机请求什么，你的程序就响应什么。

下面这些数据是使用BUS HOUND抓的，这个是在WIN2000下抓到的，如果在WINXP下，就看不到设置地址之前的数据。
写了注释下面的部分就是主机和设备之间的数据通信，而其它的则是主机跟根集线器之间的通信数据。

Device  Phase  Data                                                DescripTIon       Cmd.Phase.Ofs(rep)  Delta
------  -----  --------------------------------------------------  ----------------  ------------------  -----
  14.1  DI     02                                                  .                        1.1.0        3.4sc 
  14.0  CTL    a3 00 00 00  01 00 04 00                            GET STATUS               2.1.0(2)      17us 
  14.0  DI     01 01 01 00                                         ....                     2.2.0         27us 
  14.0  CTL    23 01 10 00  01 00 00 00                            CLEAR FEATURE            4.1.0        110us 
  14.0  CTL    a3 00 00 00  01 00 04 00                            GET STATUS               5.1.0(2)      56us 
  14.0  DI     01 01 00 00                                         ....                     5.2.0         14us 
  14.0  CTL    23 03 04 00  01 00 00 00                            SET FEATURE              7.1.0        109ms 
  14.1  DI     02                                                  .                        8.1.0         90ms 
  14.0  CTL    a3 00 00 00  01 00 04 00                            GET STATUS               9.1.0         23us 
  14.0  DI     03 01 10 00                                         ....                     9.2.0         22us 
  14.0  CTL    23 01 14 00  01 00 00 00                            CLEAR FEATURE           10.1.0          8us 
  14.0  CTL    a3 00 00 00  01 00 04 00                            GET STATUS              11.1.0         19ms 
  14.0  DI     03 01 00 00                                         ....                    11.2.0         34us
/////////////第一次获取设备描述符请求////////////////////// 
  14.0  CTL    80 06 00 01  00 00 40 00                            GET DESCRIPTOR          12.1.0        239us 
/////////////第一次返回设备描述符//////////////////////////
/////////////由于该端点缓冲只有16字节，因此只读到16字节///////////
  14.0  DI     12 01 10 01  00 00 00 10  65 10 36 21  01 00 00 00  ........e.6!....        12.2.0         67ms 
  14.0  CTL    a3 00 00 00  01 00 04 00                            GET STATUS              13.1.0         49us 
  14.0  DI     03 01 00 00                                         ....                    13.2.0         27us 
  14.0  CTL    23 03 04 00  01 00 00 00                            SET FEATURE             14.1.0         24us 
  14.1  DI     02                                                  .                       15.1.0        112ms 
  14.0  CTL    a3 00 00 00  01 00 04 00                            GET STATUS              16.1.0         21us 
  14.0  DI     03 01 10 00                                         ....                    16.2.0         25us 
  14.0  CTL    23 01 14 00  01 00 00 00                            CLEAR FEATURE           17.1.0          8us
////////////////设置地址，地址为2/////////////////////////////////
  14.0  CTL    00 05 02 00  00 00 00 00                            SET ADDRESS             18.1.0         19ms
///////////第二次获取设备描述符请求////////////////////////////// 
  14.0  CTL    80 06 00 01  00 00 12 00                            GET DESCRIPTOR          19.1.0         40ms
////////////第二次返回了全部的18字节设备描述符//////////////////
  14.0  DI     12 01 10 01  00 00 00 10  65 10 36 21  01 00 00 00  ........e.6!....        19.2.0         75ms 
               02 01                                               ..                      19.2.16
////////////获取9字节的配置描述符/////////////////////////////            
  14.0  CTL    80 06 00 02  00 00 09 00                            GET DESCRIPTOR          20.1.0         44us 
////////////返回9字节的配置描述符/////////////////////////////
////////////可以看到配置描述符集合长度为0x20（即32）字节//////
  14.0  DI     09 02 20 00  01 01 00 80  dd                        .. ......               20.2.0         50ms 
  14.0  CTL    a3 00 00 00  02 00 04 00                            GET STATUS              21.1.0        214ms 
  14.0  DI     00 01 00 00                                         ....                    21.2.0         34us
//////////再一次获取设备描述符//////////////////////////////
  17.0  CTL    80 06 00 01  00 00 12 00                            GET DESCRIPTOR          22.1.0        3.8ms 
/////////返回设备描述符////////////////////////////////
  17.0  DI     12 01 10 01  00 00 00 10  65 10 36 21  01 00 00 00  ........e.6!....        22.2.0         67ms 
               02 01                                               ..                      22.2.16
//////////获取配置描述符///////////////////////             
  17.0  CTL    80 06 00 02  00 00 09 00                            GET DESCRIPTOR          23.1.0         28us 
///////////返回配置描述符///////////////////////
  17.0  DI     09 02 20 00  01 01 00 80  dd                        .. ......               23.2.0         50ms 
/////////获取0x20字节的配置描述符集合，包括配置描述符，接口描述符，端点描述符等/////////
  17.0  CTL    80 06 00 02  00 00 20 00                            GET DESCRIPTOR          24.1.0         30us
/////////返回了0x20字节的配置描述符集合///////////// 
  17.0  DI     09 02 20 00  01 01 00 80  dd 09 04 00  00 02 08 06  .. .............        24.2.0         83ms 
               50 00 07 05  82 02 40 00  00 07 05 02  02 40 00 00  P.....@......@..        24.2.16
////////获取字符串描述符的语言ID///////////////           
  17.0  CTL    80 06 00 03  00 00 02 00                            GET DESCRIPTOR          25.1.0         29us
///////设备返回语言ID，第一字节表示语言ID的长度///////////////
  17.0  DI     04 03                                               ..                      25.2.0         45ms 
////////根据长度获取4字节的字符串描述符的语言ID///////////////
  17.0  CTL    80 06 00 03  00 00 04 00                            GET DESCRIPTOR          26.1.0         17ms
////////设备返回完整的语言ID////////////////
  17.0  DI     04 03 09 04                                         ....                    26.2.0         53ms 
/////////获取索引为2的字符串描述符///////////
  17.0  CTL    80 06 02 03  09 04 02 00                            GET DESCRIPTOR          27.1.0         27us 
//////////设备返回字符串描述符，第一字节为该字符串描述符的长度//////////
  17.0  DI     12 03                                               ..                      27.2.0         46ms 
/////////根据长度获取索引为2的字符串描述符///////////
  17.0  CTL    80 06 02 03  09 04 12 00                            GET DESCRIPTOR          28.1.0         23us 
/////////设备返回完整的0x12字节字符串描述符/////////
  17.0  DI     12 03 32 00  30 00 37 00  31 00 30 00  39 00 38 00  ..2.0.7.1.0.9.8.        28.2.0         70ms 
               32 00                                               2.                      28.2.16
////////////////设置配置///////////////////////////////            
  17.0  CTL    00 09 01 00  00 00 00 00                            SET CONFIG              29.1.0         28us
////////////////设置接口//////////////////////////////// 
  17.0  CTL    01 0b 00 00  00 00 00 00                            SET INTERFACE           30.1.0         22ms
//////////////获取最大逻辑单元///////////////////////// 
  17.0  CTL    a1 fe 00 00  00 00 01 00                            GET MAX LUN             31.1.0        158us 
  17.0  DI     00                                                  .                       31.2.0         53ms
///////////////USB大容量存储设备的命令块封包（CBW）//////// 
  17.2  DO     55 53 42 43  c8 58 25 81  24 00 00 00  80 00 06 12  USBC.X%.$.......        32.1.0        3.0ms 
               00 00 00 24  00 00 00 00  00 00 00 00  00 00 00     ...$...........         32.1.16             

以下是我在做USB键盘时，通过串口发回的调试信息，从这也可以看到枚举的过程。

系统启动................................
断开USB连接........................
USBD12芯片初始化
   设置地址.....................
       地址为：  0
连接USB...............
USB总线复位................................
USB总线挂起................................
USB总线复位................................
USB总线挂起................................
USB总线复位................................
USB标准请求................................
    获取描述符................................
        获取设备描述符................................
USB总线复位................................
USB标准请求................................
   设置地址.....................
       地址为：  2
USB标准请求................................
    获取描述符................................
        获取设备描述符................................
USB标准请求................................
    获取描述符................................
USB标准请求................................
    获取描述符................................
        获取配置描述符................................
USB标准请求................................
    获取描述符................................
        获取字符串描述符................................
            获取语言ID................................
USB标准请求................................
    获取描述符................................
        获取字符串描述符................................
            获取设备序列号................................
USB标准请求................................
    获取描述符................................
USB标准请求................................
    获取描述符................................
        获取配置描述符................................
USB标准请求................................
    获取描述符................................
USB标准请求................................
    获取描述符................................
USB标准请求................................
    获取描述符................................
        获取字符串描述符................................
            获取语言ID................................
USB标准请求................................
    获取描述符................................
        获取字符串描述符................................
            获取产品字符串................................
USB标准请求................................
    获取描述符................................
USB标准请求................................
    获取描述符................................
USB标准请求................................
    获取描述符................................
USB标准请求................................
    获取描述符................................
USB标准请求................................
    获取描述符................................
USB标准请求................................
    获取描述符................................
        获取字符串描述符................................
            获取语言ID................................
USB标准请求................................
    获取描述符................................
        获取字符串描述符................................
            获取产品字符串................................
USB标准请求................................
    获取描述符................................
USB标准请求................................
    获取描述符................................
USB标准请求................................
    获取描述符................................
USB标准请求................................
    获取描述符................................
USB标准请求................................
    获取描述符................................
USB标准请求................................
    获取描述符................................
        获取设备描述符................................
USB标准请求................................
    获取描述符................................
USB标准请求................................
    获取描述符................................
        获取配置描述符................................
USB标准请求................................
    获取描述符................................
        获取配置描述符................................
USB标准请求................................
    获取描述符................................
USB标准请求................................
    获取描述符................................
USB标准请求................................
    设置配置................................
USB类请求................................
    设置空闲................................
USB标准请求................................
    获取描述符（从接口）..............................
        获取报告描述符................................
USB标准请求................................
    获取描述符（从接口）..............................
USB标准请求................................
    获取描述符（从接口）..............................
USB标准请求................................
    获取描述符（从接口）..............................
USB标准请求................................
    获取描述符（从接口）..............................
USB标准请求................................
    获取描述符（从接口）..............................
USB标准请求................................
    获取描述符（从接口）..............................
USB标准请求................................
    获取描述符（从接口）..............................