原创 USB协议深入分析_初始化(转载)

2009-5-15 16:43 2622 0 分类: MCU/ 嵌入式

原载于:http://blog.csdn.net/caimouse/archive/2007/03/24/1539835.aspx


        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。

 
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