龙芯软件开发（32）-- USB协议深入分析

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