USB设备总线拓扑结构生成原理及方法

在Windows系统的内核中，USB堆栈提供了一系列的API接口。内核或者应用程序可以使用这些API接口来确定USB总线的拓扑结构和相关的USB设备信息。

我们常用的USBTreeViewe是基于微软开源usbview二次开发的，而usbview就是使用这些API接口来实现USB总线拓扑结构和USB设备信息的获取的。

USB设备分类

USB设备一般挂在USB集线器上，USB集线器也可以挂在他的上一层USB集线器上，但最终是挂在USB根集线器上的，USB根集线器是由USB主机控制器来创建的。所以USB的设备总共可以分为三类：

• USB主机控制器
• USB集线器（包括根集线器）
• USB普通设备
  当然，在USB规范中，也将USB集线器归为USB设备.USB集线器也占用USB地址。

USB总线枚举

在Windows系统中，USB根集线器的设备名遵循HCD0，HCD1…HCD9 的命名规则。我们可以使用如下的方式来枚举系统中所有USB主机控制器。

    TCHAR        HCName[16];
    for (int HCNum = 0; HCNum < NUM_HCS_TO_CHECK; HCNum++)
    {
        _stprintf_s(HCName, sizeof(HCName) / sizeof(HCName[0]), _T("\\\\.\\HCD%d"), HCNum);
        printf("%s\n", HCName);

        HANDLE hHCDev = CreateFile(HCName,
            GENERIC_WRITE,
            FILE_SHARE_WRITE,
            NULL,
            OPEN_EXISTING,
            0,
            NULL);
        if (hHCDev != INVALID_HANDLE_VALUE)
        {
            EnumerateHostController(hHCDev);
            CloseHandle(hHCDev);
        }
    }

实际在使用过程中，我们使用SETUPAPI函数枚举GUID_DEVINTERFACE_USB_HOST_CONTROLLER的设备类型。

/* 3ABF6F2D-71C4-462a-8A92-1E6861E6AF27 */
DEFINE_GUID(GUID_DEVINTERFACE_USB_HOST_CONTROLLER, 0x3abf6f2d, 0x71c4, 0x462a, 0x8a, 0x92, 0x1e, \
    0x68, 0x61, 0xe6, 0xaf, 0x27);

获取根集线器

应用程序获取了USB主机控制器的句柄后，可以向其下发 USB_GET_ROOT_HUB_NAME来获取其下的USB根集线器名称。其参数为：

typedef struct _USB_ROOT_HUB_NAME {
    ULONG ActualLength;     /* OUTPUT */
    /* NULL terminated unicode symbolic name for the root hub */
    WCHAR RootHubName[1];   /* OUTPUT */
} USB_ROOT_HUB_NAME, *PUSB_ROOT_HUB_NAME;

其中ActualLength指定的是整个结构体的大小，而非RootHubName的大小。
获取的USB根集线器名称一般为这样的：

USB#ROOT_HUB30#4&31789dfb&0&0#{f18a0e88-c30c-11d0-8815-00a0c906bed8}

我们对其加上设备前导头好可得到：

\\.\USB#ROOT_HUB30#4&31789dfb&0&0#{f18a0e88-c30c-11d0-8815-00a0c906bed8}

这样的字符串。使用该字符串可以使用CreateFile来打开根集线器。

USB根集线器的枚举

当然，和USB根集控器一样，我们也可以通过SETUPAPI使用GUID_DEVINTERFACE_USB_HUB枚举系统中所有USB集线器（包括根集线器和扩展集线器）。

/* f18a0e88-c30c-11d0-8815-00a0c906bed8 */
DEFINE_GUID(GUID_DEVINTERFACE_USB_HUB,    0xf18a0e88, 0xc30c, 0x11d0, 0x88, 0x15, 0x00, \
             0xa0, 0xc9, 0x06, 0xbe, 0xd8);

对于USB集线器，比较关注的是是其下有多少个下游端口，其连接状态是什么。这可以通过IOCTL_USB_GET_NODE_INFORMATION来获取到。获取到的数据结构USB_NODE_INFORMATION如下：

typedef struct _USB_HUB_DESCRIPTOR {
    UCHAR   bDescriptorLength;
    UCHAR   bDescriptorType;
    UCHAR   bNumberOfPorts;
    USHORT  wHubCharacteristics;
    UCHAR   bPowerOnToPowerGood;
    UCHAR   bHubControlCurrent;
    UCHAR   bRemoveAndPowerMask[64];
} USB_HUB_DESCRIPTOR, *PUSB_HUB_DESCRIPTOR;

typedef struct _USB_HUB_INFORMATION {
    /*
       copy of data from hub descriptor
    */
    USB_HUB_DESCRIPTOR HubDescriptor;

    BOOLEAN HubIsBusPowered;

} USB_HUB_INFORMATION, *PUSB_HUB_INFORMATION;

typedef struct _USB_NODE_INFORMATION {
    USB_HUB_NODE NodeType;        /* hub, mi parent */
    union {
        USB_HUB_INFORMATION HubInformation;
        USB_MI_PARENT_INFORMATION MiParentInformation;
    } u;
} USB_NODE_INFORMATION, *PUSB_NODE_INFORMATION;

通过解析USB集线器描述符中的bNumberOfPorts即可获取USB集线器的端口数。
USB集线器的数据编号从1开始，到bNumberOfPorts。这时可以通过IOCTL_USB_GET_NODE_CONNECTION_INFORMATION来获取指定USB端口下设备的连接信息。

typedef struct _USB_NODE_CONNECTION_INFORMATION {
    ULONG ConnectionIndex;  /* INPUT */
    /* usb device descriptor returned by this device
       during enumeration */
    USB_DEVICE_DESCRIPTOR DeviceDescriptor; /* OUTPUT */
    UCHAR CurrentConfigurationValue;/* OUTPUT */
    BOOLEAN LowSpeed;/* OUTPUT */
    BOOLEAN DeviceIsHub;/* OUTPUT */
    USHORT DeviceAddress;/* OUTPUT */
    ULONG NumberOfOpenPipes;/* OUTPUT */
    USB_CONNECTION_STATUS ConnectionStatus;/* OUTPUT */
    USB_PIPE_INFO PipeList[0];/* OUTPUT */
} USB_NODE_CONNECTION_INFORMATION, *PUSB_NODE_CONNECTION_INFORMATION;

• 对于普通设备，可通过IOCTL_USB_GET_DESCRIPTOR_FROM_NODE_CONNECTION来获取USB设备的相关描述符内容。
• 对于USB集线器，可通过IOCTL_USB_GET_NODE_CONNECTION_NAME来获取其扩展集线器的名称。其后就和根集器的过程一样。