USB具体通讯过程（含枚举过程）
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USB入门系列：
1、USB行业标准介绍
2、USB具体通讯过程
3、USB中端点详细了解
4、USB传输之控制传输
......(待补充)
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前言
现在刚开始接触USB的开发，零零散散学习了一些USB基础知识，但是却得不到连贯。在这个学习过程中首先困惑的就是USB通讯过程究竟是什么样子的，我觉得做一下的了解后整合后记录下来，首先从USB整体结构基础来入手直到整个通讯过程。可能有理解不到位的地方，望各位能够指正，我会及时改正。
一、USB系统的结构
USB系统是由三个逻辑层组成：功能层、USB设备层和USB总线接口层。并且每一层都是由主机和USB设备不同的功能模块组成，如下图所示：
1、功能层(接口)
功能
层是由客户软件和设备方的功能单元组成，其能够实现USB设备传输的特定功能。通过功能层可直观地理解USB传输的数据内容。其中，客户软件通过USB系统软件来与USB设备进行通信。功能单元对于客户软件，可视为接口的集合。
2、USB设备层 (端点)
USB设备层是由USB系统软件和USB设备的USB逻辑设备组成，其实现主机和USB设备之间传输的具体配置。USB逻辑设备对于USB系统软件，可视为端点的集合。
3、USB总线接口层
USB总线接口层是由主机的USB主控制器和设备的USB总线接口组成。其实现主机和USB设备实际的数据传输。
4、主机部分
USB主机部分由客户软件、USB系统软件和USB总线接口组成。
4.1 客户软件
客户软件负责和USB设备的功能单元进行通信，以实现特定的功能。客户软件不能直接与USB设备相连接，必须通过USB系统软件和USB总线接口才能实现连接。客户软件包括USB设备驱动程序和界面应用程序两部分。
4.2 USB系统软件
USB系统软件负责和USB逻辑设备进行配置通信，并管理客户软件启动的数据。一般包括
USB总线驱动程序、
USB主控制驱动程序和非USB主机软件三个部分，这部分会由系统提供。
4.3 USB总线接
USB总线接口包括主控制器和跟集线器两部分。其中，主控制器是负责完成主机和USB设备间的数据实际传输。根集线器是为USB系统连接起点。
5、设备部分
USB设备部分由三个功能模块组成，分别是USB总线接口、USB逻辑设备和功能单元。
功能单元看作是一个接口的集合
；
USB 逻辑设备被USB系统软件看作一个端点的集合；USB总线接口是USB设备中的串行接口引擎(SIE)
。
二、USB的拓扑结构
USB是一种主从结构的系统。主机叫Host,从机叫做Device（也叫设备）。通常所说的主机具有一个或者多个USB主控制器（host controller）和根集线器（root hub）。主控制器主要负责数据处理，而跟集线器则提供一个连接主控制器与设备之间的接口和通路。
通常情况下，PC机上有多个主控器和多个USB口，一个主控器下有一根集线器，一根集线器通常具有一个或者几个USB接口。通常集线器可以通过USB集线器来扩展USB接口，只是带宽是不能够拓宽的，因为带宽是共享一个USB主控器的。
了解上面的信息后，再来看USB的拓扑结构如下图：
USB的拓扑结构看起来是一个金字塔形的结构，具体构成如下：
塔顶是USB的主控器和根集线器，下面接USB集线器，USB集线器将一个USB口扩展为多个USB口，多个USB口同样可以通过USB集线器扩展出更多的接口。不过USB口并不能通过USB集线器无止境的扩展，他是有限制的，例如在USB2.0规定它最多扩展6次。
理论上一个USB主控器最多可接127个设备，这是因为协议规定每个USB设备具有一个7bit地址(取值范围为0~127，地址用于给主机识别是哪个设备，其中0地址值得注意，是给刚接入未初始化的设备使用的)。
三、USB的设备架构
设备架构认为设备是由一些配置、接口和端点构成的。其中配置和接口是USB功能的抽象，实际的数据传输由端点来完成。其对应关系如下图所示：
1.设备
设备代表USB设备，它由一个或多个配置组成。设备描述符用于说明设备的总体信息，并指出其所包含配置的个数。
2.配置
在使用USB设备前，必须为其选择一个合适的配置。如USB设备的低功耗模式和高功耗模式分别对应一个配置。配置描述符用于说明USB设备中各个配置的特性。
3.接口
一个配置可以包含一个或多个接口。接口是一个端点的集合。接口描述符用于说明USB设备中各个接口的特性。
4.端点
端点是USB设备中的实际物理单元，USB数据传输就是在主机和USB设备各个端点之间进行的。
5、管道
管道，是主机软件(数据缓冲区)和USB设备的各个端点之间的数据传输链接，它是两者之间通信流的抽象。然而，实际的数据传输是由USB总线接口层来完成的。管道和USB设备中的端点一一对应，并且各个管道的数据传输是相互独立的。
管道有两种类型：流管道和消息管道。其中最为重要的消息管道是“缺省控制管道”，这个管道在设备开始上电后就存在了，它用于提供设备的配置与状态等信息。主机与设备之间的联络就是通过消息管道实现的。
四、USB枚举与通信的具体过程
1、USB接头
下图是一个USB接头的结构图：
由图可以看出，
标准的USB链接线使用4芯电缆：5V电源线（Vbus）\差分数据线负（D-）、差分数据线正（D+）和地线（GND）。
在hub端，数据线D+和D-都有一个阻值在14.25k到24.8k的下拉电阻Rpd，而在设备端，D+（全速，高速）和D-（低速）上有一个1.5k的上拉电阻Rpu。当设备插入到hub端口时，有上拉电阻的一根数据线被拉高到幅值的90%的电压（大致是3V）。hub检测到它的一根数据线是高电平，就认为是有设备插入，并能根据是D+还是D-被拉高来判断到底是什么设备（全速/低速）插入端口。
2、USB通信过程
主机和USB设备可以相互传输数据，其具体过程如下(以主机箱设备传输为例)：
step1：客户软件首先将要传输的数据放入缓冲区，同时向USB总线驱动程序发出IRPS，请求数据传输。（客户软件）
step2：USB总线驱动接收到程序接收请求，并对数据进行处理，转化为具有USB格式的事务处理。（USB系统软件）
step3：USB主控制器驱动程序将这些事务处理建立成事务列表，同时要求不能超过USB带宽。（USB系统软件）
step4：USB主控制器读取到事务列表并将事务转化为信息包，发送到USB总线上。（USB总线接口）
step5：USB设备收到这些信息后，SIE(
USB总线接口是USB设备中的串行接口引擎
)将其解包后放入指定端点的接收缓冲区内，由芯片固件对其进行处理。
用框图表示如下：
3、USB枚举通信具体过程
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。
枚举通信过程具体如下：
step1：检测电压变化，报告主机
首先，USB设备上电后，一直监测USB设备接口电平变化HUB检测到有电压变化，将利用自己的中断端点将信息反馈给主控制器有设备连接。
Step2：主机了解连接设备
主机在知道有设备接入后会发送一个Get_Port_Status
请求(request)给hub以了解此次状态改变的确切含义。
Step3：Hub检测所插入的设备是高速还是低速
hub通过检测USB总线空闲(Idle)时差分线的高低电压来判断所连接设备的速度类型，当host发来Get_Port_Status请求时，hub就可以将此设备的速度类型信息回复给host。USB 2.0规范要求速度检测要先于复位（Reset）操作。
Step4：hub复位设备
主机一旦得知新设备已连上以后，它至少等待100ms以使得插入操作的完成以及设备电源稳定工作。然后主机控制器就向hub发出一个 Set_Port_Feature请求让hub复位其管理的端口(刚才设备插上的端口)。hub通过驱动数据线到复位状态(D+和D-全为低电平 )，并持续至少10ms。当然，hub不会把这样的复位信号发送给其他已有设备连接的端口，所以其他连在该hub上的设备自然看不到复位信号，不受影响。
Step5： Host检测所连接的全速设备是否是支持高速模式
因为根据USB 2.0协议，高速（High Speed）设备在初始时是默认全速（Full Speed ）状态运行，所以对于一个支持USB 2.0的高速hub，当它发现它的端口连接的是一个全速设备时，会进行高速检测，看看目前这个设备是否还支持高速传输，如果是，那就切到高速信号模式，否则就一直在全速状态下工作。
同样的，从设备的角度来看，如果是一个高速设备，在刚连接bub或上电时只能用全速信号模式运行（根据USB 2.0协议，高速设备必须向下兼容USB 1.1的全速模式）。随后hub会进行高速检测，之后这个设备才会切换到高速模式下工作。假如所连接的hub不支持USB 2.0，即不是高速hub，不能进行高速检测，设备将一直以全速工作。
Step6：Hub建立设备和主机之间的信息通道
主机不停地向hub发送Get_Port_Status请求，以查询设备是否复位成功。Hub返回的报告信息中有专门的一位用来标志设备的复位状态。
当hub撤销了复位信号，设备就处于默认／空闲状态（Default state），准备接收主机发来的请求。设备和主机之间的通信通过控制传输，默认地址0，端点号0进行。此时，设备能从总线上得到的最大电流是100mA。(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。)
Step7：主机发送Get_Descriptor请求获取默认管道的最大包长度
默认管道（Default Pipe）在设备一端来看就是端点0。主机此时发送的请求是默认地址0，端点0，虽然所有未分配地址的设备都是通过地址0来获取主机发来的请求，但由于枚举过程不是多个设备并行处理，而是一次枚举一个设备的方式进行，所以不会发生多个设备同时响应主机发来的请求。
设备描述符的第8字节代表设备端点0的最大包大小。虽然说设备所返回的设备描述符（Device Descriptor）长度只有18字节，但系统也不在乎，此时，描述符的长度信息对它来说是最重要的，其他的瞄一眼就过了。当完成第一次的控制传输后，也就是完成控制传输的状态阶段，系统会要求hub对设备进行再一次的复位操作（USB规范里面可没这要求）。再次复位的目的是使设备进入一个确定的状态。
Step8：主机给设备分配一个地址
主机控制器通过Set_Address请求向设备分配一个唯一的地址。在完成这次传输之后，设备进入地址状态（Address state），之后就启用新地址继续与主机通信。这个地址对于设备来说是终生制的，设备在，地址在；设备消失（被拔出，复位，系统重启），地址被收回。同一个设备当再次被枚举后得到的地址不一定是上次那个了。
Step9：主机获取设备的信息
主机发送 Get_Descriptor请求到新地址读取设备描述符，这次主机发送Get_Descriptor请求可算是诚心，它会认真解析设备描述符的内容。设备描述符内信息包括端点0的最大包长度，设备所支持的配置（Configuration）个数，设备类型，VID（Vendor ID，由USB-IF分配）， PID（Product ID，由厂商自己定制）等信息。
之后主机发送Get_Descriptor请求，读取配置描述符（Configuration Descriptor），字符串等，逐一了解设备更详细的信息。事实上，对于配置描述符的标准请求中，有时wLength一项会大于实际配置描述符的长度（9字节），比如255。这样的效果便是：主机发送了一个Get_Descriptor_Configuration 的请求，设备会把接口描述符，端点描述符等后续描述符一并回给主机，主机则根据描述符头部的标志判断送上来的具体是何种描述符。
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。
Step10：
主机给设备挂载驱动（复合设备除外）
主机通过解析描述符后对设备有了足够的了解，会选择一个最合适的驱动给设备。 然后tell the world（announce_device）说明设备已经找到了，最后调用设备模型提供的接口device_add将设备添加到 usb 总线的设备列表里，然后 usb总线会遍历驱动列表里的每个驱动，调用自己的 match（usb_device_match） 函数看它们和你的设备或接口是否匹配，匹配的话调用device_bind_driver函数，现在就将控制权交到设备驱动了。
对于复合设备，通常应该是不同的接口（Interface）配置给不同的驱动，因此，需要等到当设备被配置并把接口使能后才可以把驱动挂载上去。
Step11：
设备驱动选择一个配置
驱动（注意，这里是驱动，之后的事情都是有驱动来接管负责与设备的通信）根据前面设备回复的信息，发送Set_Configuration请求来正式确定选择设备的哪个配置（Configuration）作为工作配置（对于大多数设备来说，一般只有一个配置被定义）。至此，设备处于配置状态(Configured)，当然，设备也应该使能它的各个接口（Interface）。
对于复合设备，主机会在这个时候根据设备接口信息，给它们挂载驱动。
参考资料
圈圈教你如何玩USB
百度文库-USB工作过程： https://wenku.baidu.com/view/345ffa740a1c59eef8c75fbfc77da26925c596d8.html
USB枚举过程： https://blog.csdn.net/MyArrow/article/details/8270029