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Windows下USB设备的枚举过程分析

2021-06-03 2764 0

1.用户把USB设备插入USB端口或给系统启动时设备上电

这里的USB端口指的是主机下的根hub或主机下行端口上的hub端口。Hub给端口供电,连接着的设备处于上电状态。

2.Hub监测它各个端口数据线上(D+/D-)的电压

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(全速高速设备的区分在我将来的文章中描述)。
详见:USB 硬件接口及速率检测 http://www.usbzh.com/article/detail-212.html

3.Host了解连接的设备

  每个hub利用它自己的中断端点向主机报告它的各个端口的状态(对于这个过程,设备是看不到的,也不必关心),报告的内容只是hub端口的设备连接/断开的事件。如果有连接/断开事件发生,那么host会发送一个 Get_Port_Status请求(request)以了解更多hub上的信息。Get_Port_Status等请求属于所有hub都要求支持的hub类标准请求(standard hub-class requests)。

4.Hub检测所插入的设备是高速还是低速设备

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)。

5.hub复位设备

当主机获悉一个新的设备后,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。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。

6.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。
高速设备检测的过程在我另外一篇文章(USB2.0速度识别)中有详细描述,这里不具体深入。

7.Hub建立设备和主机之间的信息通道

主机不停得向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),准备着主机发来的请求。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。在此时,设备能从总线上得到的最大电流是100mA。

8.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,虽然所有位分配地址的设备都是通过地址0来获取主机发来的信息,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。对于Windows系统来说,Get_Descriptor请求中的wLength一项都会设为64, 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。Windows系统还有个怪癖,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。

9.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身制的,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。

10.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。

11.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。在驱动的选择过程中,Windows系统会和系统inf文件里的厂商ID,产品ID,有时甚至用到设备返回来的产品版本号进行匹配。如果没有匹配的选项,Windows会根据设备返回来的类,子类,协议值信息选择。如果该设备以前在系统上成功枚举过,操作系统会根据以前记录的登记信息而非inf文件挂载驱动。当操作系统给设备指定了驱动之后,就由驱动来负责对设备的访问。
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。
USB 设备-配置-接口-端点关系
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12.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,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。

Windows支持的USB设备类型驱动:http://www.usbzh.com/article/detail-355.html

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