USB枚举周详过程剖析

 

　　USB ,是英文Universal Serial BUS（通用串行总线）的缩写，而其中文简称为"通串线，是一个外部总线标准，用于规范电脑与外部设备的连接和通讯。是应用在PC领域的接口技术。USB接口支持设备的即插即用和热插拔功能。随着计算机硬件飞速发展，外围设备日益增多，键盘、鼠标、调制解调器、打印机、扫描仪早已为人所共知，数码相机、MP3随身听接踵而至，这么多的设备，如何接入个人计算机？USB就是基于这个目的产生的。USB是一个使计算机周边设备连接标准化、单一化的接口，其规格是由Intel（英特尔）、NEC、Compaq、DEC、IBM（商业机器公司）、Microsoft（微软）、Northern Telecom联系制定的。

    （1）集线器检测新设备

　　主机集线器监视着每个端口的信号电压，当有新设备接入时便可觉察。（集线器端口的两根信号线的每一根都有15kΩ的下拉电阻，而每一个设备在D+都有一个1.5kΩ的上拉电阻。当用USB线将PC和设备接通后，设备的上拉电阻使信号线的电位升高，因此被主机集线器检测到。）

　　（2）主机知道了新设备连接后

　　每个集线器用中断传输来在集线器上的事件。当主机知道了这个事件，它给集线器发送一个Get_Status请求来了解更多的消息。返回的消息告诉主机一个设备是什么时候连接的。

　　（3）集线器重新设置这个新设备

　　当主机知道有一个新的设备时，主机给集线器发送一个Set_Feature请求，请求集线器来重新设置端口。集线器使得设备的USB数据线处于重启（RESET）状态至少10ms.

　　（4）集线器在设备和主机之间建立一个信号通路

　　主机发送一个Get_Status请求来验证设备是否激起重启状态。返回的数据有一位表示设备仍然处于重启状态。当集线器释放了重启状态，设备就处于默认状态了，即设备已经准备好通过Endpoint 0 的默认流程响应控制传输。即设备现在使用默认地址0x0与主机通信。

　　（5）集线器检测设备速度

　　集线器通过测定那根信号线（D+或D-）在空闲时有更高的电压来检测设备是低速设备还是全速设备。（全速和高速设备D+有上拉电阻，低速设备D-有上拉电阻）。

　　以下，需要USB的firmware进行干预

　　（6）获取数据包长度

　　PC向address 0发送USB协议规定的Get_Device_Descriptor命令，以取得却缺省控制管道所支持的数据包长度，并在有限的时间内等待USB设备的响应，该长度包含在设备描述符的bMaxPacketSize0字段中，其地址偏移量为7,所以这时主机只需读取该描述符的前8个字节。注意，主机只能列举一个USB设备，所以同一时刻只能有一个USB设备使用缺省地址0.

　　以下操作雷同，不同操作系统设定时延是不一样的，比如说win2k大概是几毫秒，如果没有反应就再发送命令，重复三次。

　　（7）主机分配一个新的地址给设备

　　主机通过发送一个Set_Address请求来分配一个的地址给设备。设备读取这个请求，返回一个确认，并保存新的地址。从此开始所有通信都使用这个新地址。

　　（8）主机向新地址重新发送Get_Device_Descriptor命令，此次读取其设备描述符的全部字段，以了解该设备的总体信息，如VID,PID.

　　（9）主机向设备循环发送Get_Device_Configuration命令，要求USB设备回答，以读取全部配置信息。

　　（10）主机发送Get_Device_String命令，获得字符集描述（unicode），比如产商、产品描述、型号等等。

　　（11）此时主机将会弹出窗口，展示发现新设备的信息，产商、产品描述、型号等。

　　（12）根据Device_Descriptor和Device_Configuration应答，PC判断是否能够提供USB的Driver,一般win2k能提供几大类的设备，如游戏操作杆、存储、打印机、扫描仪等，操作就在后台运行。但是Win98却不可以，所以在此时将会弹出对话框，索要USB的Driver.

　　（13）加载了USB设备驱动以后，主机发送Set_Configuration（x）命令请求为该设备选择一个合适的配置（x代表非0的配置值）。如果配置成功，USB设备进入"配置"状态，并可以和客户软件进行数据传输。

　　此时，常规的USB完成了其必须进行的配置和连接工作。查看注册表，能够发现相应的项目已经添加完毕，至此设备应当可以开始使用。不过，USB协议还提供了一些用户可选的协议，设备如果不应答，也不会出错，但是会影响到系统的功能。

　　USB架构中，hub负责检测设备的连接和断开，利用其中断IN端点（Interrupt IN Endpoint）来向主机（Host）。在系统启动时，主机轮询它的根hub（Root Hub）的状态看是否有设备（包括子hub和子hub上的设备）连接。一旦获悉有新设备连接上来，主机就会发送一系列的请求（Resqusts）给设备所挂载到的hub,再由hub建立起一条连接主机（Host）和设备（Device）之间的通信通道。然后主机以控制传输（Control Transfer）的方式，通过端点0（Endpoint 0）对设备发送各种请求，设备收到主机发来的请求后回复相应的信息，进行枚举（Enumerate）操作。所有的USB设备必须支持标准请求（Standard Requests），控制传输方式（Control Transfer）和端点0（Endpoint 0）。从用户角度来看，枚举过程是自动完成并不可见的。但很多初次使用的设备连接时，系统会弹出说新硬件检测到，设备安装成功，可以使用之类的消息提示框，而且有时还需要用户配合选择安装相关的驱动。当枚举完成后，这个新添加的设备可在Windows的设备管理器里面看到，当用户删除这个设备/硬件时，系统把这个设备从设备管理器里删除。对于一般的设备，固件（Firmware）内包含主机所要请求的信息，而有些设备则是完全由硬件来负责响应主机的请求。在主机方面则是由操作系统而非应用程序负责处理相关枚举操作。