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1个回答
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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。深圳专业嵌入式实训,联系郭老师QQ754634522 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 04 03 09 04 返回语言标识。 USB_EVT_IN,USB_DataInStage USB_DataInStage,cnt=0,EP0Data.Count=0 1. 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(11)(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 2. 收到字符串描述符包 Setup m=0,n=0,val=45 80 06 00 03 00 00 FF 00 REQUEST_STANDARD=0x6 USB_STRING_DESCRIPTOR_TYPE(12)(Offset=0x0) USB_DataInStage,cnt=4,EP0Data.Count=4 04 03 09 04 USB_EVT_IN,USB_DataInStage USB_DataInStage,cnt=0,EP0Data.Count=0 Setup m=0,n=0,val=45 80 06 2C 03 09 04 FF 00 REQUEST_STANDARD=0x6 USB_STRING_DESCRIPTOR_TYPE(13)(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 USB_EVT_IN,USB_DataInStage USB_DataInStage,cnt=0,EP0Data.Count=0 3. 收到字符串描述符包 USB_EVT_OUT Setup m=0,n=0,val=45 80 06 00 01 00 00 12 00 这里收到需要返回厂商字符串的请求。 REQUEST_STANDARD=0x6 USB_DEVICE_DESCRIPTOR_TYPE(14) 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 在这里返回设备的厂商字符串给PC。 USB_EVT_IN,USB_DataInStage USB_DataInStage,cnt=0,EP0Data.Count=0 4. 收到第三个配置描述符包 Setup m=0,n=0,val=45 80 06 00 02 00 00 09 00 REQUEST_STANDARD=0x6 USB_CONFIGURATION_DESCRIPTOR_TYPE(15)(Offset=0x0) USB_DataInStage,cnt=9,EP0Data.Count=9 09 02 22 00 01 01 00 01 32 USB_EVT_IN,USB_DataInStage USB_DataInStage,cnt=0,EP0Data.Count=0 5. 收到第四个配置描述符包 Setup m=0,n=0,val=45 80 06 00 02 00 00 22 00 REQUEST_STANDARD=0x6 USB_CONFIGURATION_DESCRIPTOR_TYPE(16)(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 根据长度返回不同的数据。 USB_EVT_IN,USB_DataInStage USB_DataInStage,cnt=0,EP0Data.Count=0 6. 收到设置描述符包 Setup m=0,n=0,val=45 00 09 01 00 00 00 00 00 REQUEST_STANDARD=0x9 USB_SetConfiguration WB.L =1 USB_Configure(TRUE) USB_SetConfiguration true 由上面可以知道经过这么多次来回后,主控器已经配置完成,对这个设备可以使用了。这时,如果在WINDOWS里就会看到可以设备安装完成,可以使用了。 7. 收到设置空闲描述符包 Setup m=0,n=0,val=37 21 0A 00 00 00 00 00 00 收到这个描述符,就表明设备在空闲状态。 8. 收到HID的报告描述符包 Setup m=0,n=0,val=37 81 06 00 22 00 00 64 00 由于在配置描述符里,我把这个设备描述成HID的设备,所以会收到HID的报告描述符。 REQUEST_STANDARD=0x6 REQUEST_TO_INTERFACE (0x22) HID_REPORT_DESCRIPTOR_TYPE USB_DataInStage,cnt=36,EP0Data.Count=36 06 00 FF 09 01 A1 01 19 01 29 08 15 00 25 FF 95 3F 75 08 81 02 19 01 29 08 15 00 25 FF 95 3F 75 08 91 02 C0 这里就返回报告描述的类型,说明每次发送数据报告的大小,还有数据的格式。这里是返回63个字节输出,63个输入的描述符。 USB_EVT_IN,USB_DataInStage USB_DataInStage,cnt=0,EP0Data.Count=0 USB_EVT_OUT 到这里就把USB设备初始化完成了。从上面可以知道,要想配置一个USB设备,需要经过20个来回才能完成配置,这个过程是非常多的。如果在调试过程中,只要任何一个地方出错,都不会配置成功的。如果再加上硬件的出错,就需要花费更长的时间了。可见,USB的设备虽然非常方便使用,但是花费了工程师大量的精力和相当多的时间。因而USB是一个非常值钱的设备。目前USB设备已经非常流行,今后PC机与外设的通讯,大部份都是使用USB设备来完成的。完全会取代串口、并口的通讯。 |
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