圈圈教你玩USB(第二版) 笔记

本文主要是介绍圈圈教你玩USB(第二版) 笔记，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

第一章 USB概述及协议基础

USB的拓扑结构

USB是一种主从结构的系统。主机叫Host，从机叫Device（设备）

主机具有一个或多个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，根集线器提供一个连接主控制器与设备之间的接口和通路。USB集线器(usb hub)作为一类特殊的USB设备，可以对原有USB口进行扩展以获的更多的USB口（不能扩展更多的带宽，带宽是共享一个USB主控制器的）。
USB的数据交换只能在主机和设备之间，主机与主机、设备与设备之间不能之间互连和交换数据。
USB OTG中，一个设备可以在从机和主机之间切换，这样可以实现设备与设备之间的连接。物理上通过ID识别线实现（MINI USB）

USB的插入检测机制

在USB集线器的每个下游端口的 D+ 和 D- 上，分别接了一个15KΩ的下拉电阻到地。而在USB设备端，在 D+ 或者 D- 上接了一个1.5KΩ的上拉电阻到3.3V的电源
全速设备和高速设备，1.5K上拉电阻接D+；低速设备，1.5K上拉电阻接D-

USB描述符及其之间的关系

描述符用于实现让USB主机知道设备的功能以及行为

设备描述符Device Descriptor：设备使用的USB协议版本号、设备类型、端点0的最大包大小、厂商ID(VID)和产品ID(PID)、设备版本号、厂商字符串索引、产品字符串索引、设备序列号索引、可能的配置数等
配置描述符Configuration Descriptor：配置所包含的接口数、配置的编号、供电方式、是否支持远程唤醒、电流的需求量等
接口描述符Interface Descriptor：接口的编号、接口的端点数、接口所使用的类、子类、协议等
端点描述符Endpoint Descriptor：端点号及方向、端点的传输类型、最大包长度、查询时间间隔等
字符串描述符String Descriptor：提供一些方便人们阅读的信息，它不是必需的

USB的包结构以及传输过程

USB使用的是LSB在前的方式，即先出来的是最低位数据，接下来是次低位，最后是最高位MSB。
USB总线数据传输以包为基本单位。包分成不同域，以同步域开始，紧跟包识别符PID，最终以包结束符EOP结束
令牌包：用于启动一次USB传输。主机发送一个令牌来通知哪个设备响应以及如何响应
- 输出令牌包：用于通知设备将要输出一个数据包
- 输入令牌包：用于通知设备返回一个数据包
- 建立令牌包：只用在控制传输中，和输出令牌包作用一样。区别在于它只能使用DATA0数据包，且只能发到设备的控制端点，并且设备必须接收，而输出令牌包无这些限制
- 帧起始令牌包：每帧（或微帧）开始以广播形式发送。
- 结构：同步域 | 8位包标识PID | 7位地址 | 4位端点号 | 5位CRC5校验 | EOP
数据包：用于传输数据
- 结构：同步域 | 8位包标识PID | 字节0 | 字节1 | ... | 字节N | 16位CRC16校验 | EOP
握手包：用于表示一个传输是否被对方确认
- 结构：同步域 | 包标识PID | EOP
特殊包：特殊场合用的包。令牌包PRE、SPLIP、PING；握手包ERR

USB的传输类型

批量传输：包含批量输出事务、批量输入事务、PING事务；用于在数据量大、对实时性要求不高的场合。如USB打印机，扫描仪，大容量存储设备
中断传输：主机保证在不大于设备查询间隔时间内安排一次传输；用于数据量不大，对时间要求较严格的设备。如HID中的鼠标，键盘等
等时传输：用于数据量大，对实时性要求高的场合，不保证数据正确性。如音/视频设备
控制传输：保证数据传输过程中数据的完整性

第三章 USB鼠标的实现

USB标准请求

USB协议定义了一个8字节的标准设备请求，主要用在设备的枚举过程中。这8字节的数据是在控制传输的建立过程通过默认控制端点0发出的。在这8字节的数据中，包含了数据过程所需要传输数据传输的方向、长度以及数据类型等信息。正是由于8字节标准请求的原因，USB协议规定，端点0的最大包长度至少为8字节。也就是说，任何一个USB设备都能够（而且必须要）接收8字节的标准请求
数据结构
- 字节0【bmRequestType 】：请求的特性
  - D7：数据传输方向。0=主机到设备，1=设备到主机
  - D6-5：请求的类型。0=标准，1=类，2=厂商，3=保留
  - D4-0：请求的接收者。0=设备，1=接口，2=端点，3=其他，4-31=保留
- 字节1【bRequest】：请求代码
  - 0：GET_STATUS
  - 1：CLEAR_FEATURE
  - 3：SET_FEATURE
  - 5：SET_ADDRESS（设置地址）主机请求设备使用指定地址的请求，指定的地址就包含在8字节数据中的wValue字段中
  - 6：GET_DESCRIPTOR（获取描述符）主机通过发送获取描述符请求获取设备的各种描述符，从而可以获知设备类型、端点情况等信息
  - 7：SET_DESCRIPTOR
  - 8：GET_CONFIGURATION
  - 9：SET_CONFIGURATION（设置配置）与设置地址请求类型，wValue字段标识被指的值
  - 10：GET_INTERFACE
  - 11：SET_INTERFACE
  - 12：SYNCH_FRAME
- 字节2-3【wValue】：意义由请求决定
- 字节4-5【wIndex】：意义由请求决定
- 字节6-7【wLength】：数据过程（如果有）所需要传输的字节数

设备描述符

字节0【bLength】：该描述符的长度（18）字节
- 表示该描述符的长度。设备描述符的长度为18字节，即0x12
字节1【bDescriptorType】：该描述符类型（设备描述符为0x01）
- 设备描述符DEVICE：1
- 配置描述符CONFIGURATION：2
- 字符串描述符STRING：3
- 接口描述符INTERFACE：4
- 端点描述符ENDPOINT：5
字节2-3【bcdUSB】：本设备所使用的USB协议版本
- 用BCD码表示。USB2.0=0x0200，USB1.1=0x0110
字节4【bDeviceClass】：类代码
- 由USB协会规定，通常为0，0xFF表示厂商自定义的设备类
字节5【bDeviceSubClass】：子类代码
- 由USB协会规定
字节6【bDeviceProtocol】：设备所使用的协议
字节7【bMaxPackeSize】：端点0最大包长
- 取值可以为8、16、32、64
字节8【idVender】：厂商ID，由USB协会分配
字节10【idProduct】：产品ID，由厂商分配
字节12【bcdDevice】：设备版本号，同一产品升级后，用于区分
字节14【iManufacturer】：描述厂商的字符串的索引
字节15【iProduct】：描述产品的字符串的索引。插入USB设备后，系统右下角弹出的设备信息
字节16【iSerialNumber】：产品序列号字符串的索引
字节17【bNumConfigurations】：可能的配置数

设置地址请求的处理

每个USB设备都具有一个唯一的设备地址，这个地址是主机在设置地址请求时分配给设备的。设备在收到设置地址请求后，应该返回一个0长度的状态数据包（因为设置地址请求是没有数据过程的），然后等待主机确认这个数据包（即用ACK应答设备）。设备在正确接收到状态数据包的ACK之后，就开始使用新的设备地址了

配置描述符集合

配置描述符（每个USB设备至少都要有一个配置描述符，在设备描述符中规定了该设备有多少种配置，每种配置都有一个描述符。）
- 字节0【bLength】：该描述符的长度（9字节）。标准的USB配置描述符的长度为9字节
- 字节1【bDescriptorType】：描述符类型（配置描述符为0x02）
- 字节2-3【wTotalLength】：配置描述符集合总长度。整个配置描述符集合的总长度，包括配置描述符、接口描述符、类特殊描述符（如果有）和端点描述符
- 字节4【bNumInterfaces】：该配置所支持的接口数。通产设备只有一个接口（鼠标），而符合设备具有多个接口（音频设备）
- 字节5【bConfigurationValue】：该配置的值。通常一个USB设备支持多个配置，以此表示激活的配置项
- 字节6【iConfiguration】：描述该配置的字符串的索引值
- 字节7【bmAttributes】：该设备的属性
  - D7：保留，必须为1
  - D6：供电方式。1表示设备是自供电的，0表示设备是总线供电的
  - D5：是否支持远程唤醒。1支持
  - D4-0：保留，设置为0
- 字节8【bMaxPower】：设备所需要的电流（单位为2mA）
接口描述符（接口描述符不能单独返回，必须附着在配置描述符后一并返回）
- 字节0【bLength】：该描述符长度（9字节）
- 字节1【bDescriptorType】：描述符类型（接口描述符为0x04）
- 字节2【bInterfaceNumber】：该接口的编号（从0开始）
- 字节3【bAlternateSetting】：该接口的备用编号
- 字节4【bNumEndpoints】：该接口所使用的端点数
- 字节5【bInterfaceClass】：该接口所使用的类
- 字节6【bInterfaceSubClass】：该接口所使用的子类
- 字节7【bInterfaceProtocol】：该接口所使用的协议
- 字节8【iInterface】：描述该接口的字符串的索引值
端点描述符（端点描述符不能单独返回，必须附着在配置描述符后一并返回）
- 字节0【bLength】：该描述符的长度（7字节）
- 字节1【bDescriptorType】：描述符的类型（端点描述符为0x05）
- 字节2【bEndpointAddress】：该端点的地址
  - D7：该端点的传输方向，1输入，0输出
  - D6-4：保留，设为0
  - D3-0：端点号
- 字节3【bmAttributes】：该端点的属性
  - D1-0：该端点的传输类型，0控制传输，1等时传输，2批量传输，3中断传输
  - 等时传输时
    - D3-2：同步的类型，0无同步，1异步，2适配，3同步
    - D5-4：表示用途，0数据端点，1反馈端点，2暗含反馈的数据端点，3保留
    - D7-6：保留
  - 非等时传输时，D7-2为保留值，设为0
- 字节4-5【wMaxPackeSize】：该端点支持的最大包长度
  - 全速和低速模式：D10-0表示最大包长，其他位保留为0
  - 高速模式：D12-D11为每帧附加的传输次数
- 字节6【bInterval】：端点的查询时间
  - 中断端点时：表示查询的帧间隔数
  - 等时传输以及高速模式的中断、批量传输：参看USB协议
HID描述符（HID类设备在配置描述符中还需要一个HID描述符，它是一个类描述符，应该跟在接口描述符后面）
- 字节0【bLength】：该描述符的长度；长度与下级描述符的个数有关
- 字节1【bDescriptorType】：描述符类型（HID描述符为0x21）
- 字节2-3【bcdHID】：HID协议的版本
- 字节4【bCountyCode】：国家代码（美式键盘，代码33，即0x21）
- 字节5【bNumDescriptors】：下级描述符的数量；至少是1，下级描述符可以是报告描述符或物理描述符
- 字节6【bDescriptorType】：下级描述符的类型；报告描述符0x22，物理描述符0x23
- 字节7-8【wDescriptorLength】：下级描述符的长度
- 字节9【bDescriptorType】：下级描述符的类型（可选）
- 字节10-11【wDescriptorLength】：下级描述符的长度（可选）
- .....
语言ID描述符
- 字节0【bLength】：该描述符的长度
- 字节1【bDescriptorType】：描述符的类型（字符串为0x03）
- 字节2-3【wLANGID[0]】：语言ID号0
- ...
- 字节2*n+2【wLANGID[n]】：语言IDn
字符串描述符
- 字节0【bLength】：该描述符的长度
- 字节1【bDescriptorType】：描述符的类型（字符串为0x03）
- 字节2-【bString】：UNICODE编码的字符串
报告描述符
- 报告描述符，用于描述一个报告的结构以及该报告里面的数据的用途。
- USB HID设备是通过报告（report）来传送数据的，报告有输入报告和输出报告
  - 输入报告：是USB设备发送给主机的，例如键盘将按键数据返回给计算机等
  - 输出报告：是主机发送给USB设备的，例如键盘上数字键盘锁定灯和大写字母锁定灯的控制等
- 结构（由条目item组成）
  - HID协议规定了两种条目：短条目和长条目，仅介绍短条目
  - 字节7-4【bTag】：该条目的功能，参看HID协议及HID用途表
  - 字节3-2【bType】：表示条目的类型，0主条目(main)，1全局条目(global)，2局部条目(local)，3保留
    - 主条目共有5个：Input(输入)，Output(输出)，Feature(特性)，Collection(集合)，EndCollection(关集合)：用于定义或分组报告的数据域
  - 字节1-0【bSize】：表示后面所跟数据的字节数
- 报告的结构主要由报告的字段的长度size、数量count、属性(输入/输出)等决定，报告的用途由HID用途表文档规定。为了方便管理和归类，将用途usage分成了很多用途页usage page；

第五章用户自定义的USB HID设备的访问

访问HID设备时所用到的相关的函数

上位机开发都是调用一些API函数，原型和在MSDN上查找。
- 函数名中包含Hid字样的函数属于hid.lib，包含Setup字样的属于setupapi.lib。这些函数的声明都是标准的C函数格式，因此在C++文件中引用头文件时加上 extern "C"，否则会链接不上
获取HID设备的接口类GUID的函数
- 原型 HidD_GetHidGuid ，获取HID设备的接口类GUIDI，GUID是一个128位（16字节）的整数，分成不同的段用结构体来保存
获取指定类的所有设备信息集合的函数
- 原型 HidDiGetClassDevs，返回ClassGuid指定的所有设备的一个信息集合的句柄；使用完毕后，需要调用 SetupDiDestroyDeviceInfoList 去销毁
从设备信息集合中获取一个设备接口信息的函数
- 原型 SetupDiEnumDeviceInterfaces ，从设备信息集合中获取某个设备接口信息
获取指定设备接口详细信息的函数
- 原型 SetupDiGetDeviceInterfaceDetail，获取一个指定设备接口的详细信息，例如设备的路径（设备接口名）
打开设备的函数
- 原型 CreateFile ，打开指定的设备并返回一个指向该设备的句柄；可以使用该函数的返回句柄来获取设备的属性，以及进行读/写操作
获取HID设备属性的函数
- 原型 HidD_GetAttributes ，获取指定设备的属性，例如VID、PID、设备版本号等
从设备读取数据的函数
- 原型 ReadFile ，从指定的设备读取数据。对于HID设备，使用该函数只能从中断端点获取报告数据，如果要从控制端点获取报告，则使用函数 HidD_GetInputReport
往设备写数据的函数
- 原型 WriteFile ，把指定的数据发送到指定的设备。对于HID设备，使用该函数只能从中断端点发送报告，如果要从控制端点发送报告，则使用函数 HidD_SetOutputReport
通过控制端点 0 读取报告的函数
- 原型 HidD_GetInputReport ，调用后驱动程序将发送获取报告的类输入请求，设备在数据阶段通过控制端点0返回报告。若设备在规定时间内未返回报告，函数将超时返回
通过控制端点 0 发送报告的函数
- 原型 HidD_SetOutputReport ，调用后驱动程序将发送设置报告的类输出请求，设备在数据阶段通过控制端点0返回报告。若设备在规定时间内未返回报告，函数将超时返回
关闭句柄的函数
- 原型 ColseHandle ，关闭已打开的句柄

访问USB HID设备的上位机软件的实现

上位机程序编写的思路
- 1、使用HidD_GetHidGuid函数获取HID设备的接口类GUID
- 2、使用SetupDiGetClassDevs函数获取HID类中所有设备的信息集合
- 3、在该设备信息集合中，使用SetupDiEnumDeviceInterfaces函数去获取一个设备的信息。如果调用函数时返回失败，则说明已经到了设备集合的末尾，后面已经没有设备了，此时应该退出查找
- 4、使用SetupDiGetDeviceInterfaceDetail函数获取某个设备的详细信息。要获取某个设备的详细信息，SetupDiGetDeviceInterfaceDetail必须调用两次。第一次调用是为了得到保存设备详细信息需要多大的缓冲区，第二次调用才是真正的获取设备详细信息
- 5、获取设备的详细信息后，就可以使用CreateFile函数打开指定的设备了
- 6、打开设备后，再使用HidD_GetAttributes函数获取设备的属性，在属性中包含了VID、PID以及产品版本号等信息。然后再比较VID、PID以及产品版本号是否和所指定的一只。如果一致，则退出查找，否则切换到下一个设备，然后重复步骤3-6

第六章 USB转串口

USB转出串口的实现方法

第一种：使用用户自定义USB设备，然后开发其驱动程序，由驱动程序生成串口

第二种：使用USB协议规定的CDC类中的抽象控制模型子类中的AT命令协议

使用第一种方法需要用户自行开发驱动程序，比较麻烦，但是灵活性较强；使用第二种方法不需要用户开发驱动程序，只需要提供一个安装驱动的inf文件即可，但是灵活性不强，会受到一些限制

第八章 U盘

类特殊请求

在USB大容量存储设备的Bulk Only Transport协议中，规定了两个类特殊请求：Bulk Only Mass Storage Reset 和 Get Max LUN。前者是复位到命令状态的请求，后者是获取最大逻辑单元请求

Get Max LUN 是发送到接口的类输入请求

Bulk-Only Mass Storage Reset请求是通知设备接下来的批量端点输出数据为命令块封装包CBW(command bloick wrapper)

仅批量传输协议的数据流模型

协议规定了数据传输的结构和过程，共分成三个阶段：命令阶段、数据阶段和状态阶段。命令阶段由主机通过批量端点发送一个CBW的结构，在CBW中定义了要操作的命令以及传输数据的方向和数量。数据阶段的传输方向由命令阶段决定，而状态阶段则总是由设备返回该命令完成的状态
命令块封包CBW(command bloick wrapper)的结构（共31字节）
- 字节0-3【dCBWSignature】：CBW的标志。固定为字符串“USBC”
- 字节4-7【dCBWTag】：CBW的标签，由主机分配，设备在完成该命令返回状态时，需要在CSW(命令状态封包)中的dCSWTag字段中填入命令dCBWTag
- 字节8-11【dCBWDataTransferLength】：需要在数据阶段传输数据的字节数
- 字节12【bmCBWFlags】：最高位D7表示数据传输方向，0表示从主机到设备。其他位为0
- 字节13
  - D7-4：保留，值为0
  - D3-0【bCBWLUN】：目标逻辑单元的编号。当有多个逻辑单元时，使用该字段来区分不同的目标单元。
- 字节14
  - D7-5：保留，值为0
  - D4-0【bCBWCBLength】：CBWCB的长度
- 字节15-30【CBWCB】：需要执行的命令，由选择的子类决定使用哪些命令
命令状态封包CSW(Command Status Wrapper)的结构
- 字节0-3【dCSWSingnature】：CSW的标志，固定为字符串“USBS”
- 字节4-7【dCSWTag】：命令状态封包的标签，其值为CBW中的dCBWTag，响应哪个CBW就设置为哪个CBW的dCBWTag
- 字节8-11【dCSWDataResidue】：命令完成时的剩余字节数。表示实际完成传输的字节数与主机在CBW中设置的长度dCBWDataTransferLength之间的差值
- 字节12【bCSWStatus】：命令执行的状态。0表示命令成功执行，1表示命令执行失败，2表示阶段错误