【精选】USB协议详解第30讲（USB枚举过程详解及抓包分析）

目录

1.设备上电

2.Hub检测电压变化，报告主机

3.主机了解连接设备

4.主机检测所插入的设备是全速还是低速

5.主机通过hub复位设备

6. 主机进一步检测全速设备是否是支持高速模式

7.通过Hub建立主机和设备之间的信息通道

8.主机获取默认控制管道的最大数据包长度

9.主机请求hub再次复位设备

10.主机给设备分配一个新地址

11.主机获取并解析设备描述符信息

12.主机获取字符串描述符

13.主机获取标准配置描述符

14.主机获取配置描述符集合

15.主机为设备挂载驱动并选择一个配置

16.USB枚举抓包图

当USB设备连接到或从USB中移除时，主机使用总线枚举过程来识别和管理接入的设备。当USB设备连接到一个已经被上电的端口，采取以下顺序行动：

用户把USB设备插入USB端口（主机下的根hub或主机下行端口上的hub端口）或系统启动时设备上电。此时，USB设备处于加电状态，它所连接的端口是无效的。

hub会实时监测端口的电平变化，一旦HUB检测到端口有电压变化，hub将利用自己的中断端点将信息反馈给主控制器，告诉主机有设备连接。

如果有连接／断开事件发生，那么主机会发送一个 Get_Port_Status请求给hub以了解此次状态改变的确切含义。Get_Port_Status等请求属于所有hub都要求支持的hub类标准请求，hub相关的标准我们暂时不研究，大家知道这一点就好。

 hub通过检测USB总线空闲时的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。

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。如下图。

主机一旦得知新设备已连上以后，它至少等待100ms以使得插入操作的完成以及设备电源稳定工作。然后主机控制器就向hub发出一个 Set_Port_Feature请求让hub复位刚才设备插上的端口。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，不会受影响。hub集线器具体电路实现原理大家可以进行搜索查看。

 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，在刚连接到hub时或上电只能用全速模式运行。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。

主机不停地向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），准备接收主机发来的请求。设备和主机之间的通信通过控制传输管道，默认管道为地址0、端点0。此时，设备能从总线上得到的最大电流是100mA。此后主机就可以通过默认控制管道和设备进行控制传输。

默认管道其实连接到设备一端其实就是端点0。主机此时发送的请求是默认地址0，端点0，虽然所有未分配地址的设备都是通过地址0来获取主机发来的请求，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。

主机会发送Get_Descriptor获取设备描述符，设备描述符的第8字节代表设备端点0的最大包大小，只有知道端点0 的最大包长度，才知道一次控制传输要从设备请求多少字节数据。

当Get_Descriptor获取设备描述符请求成功，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。

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，之后就启用新地址与主机通信。这个地址对于设备来说是终生制的，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。

主机发送Get_Descriptor请求读取设备描述符，这次主机发送Get_Descriptor请求使用新地址，它会解析设备描述符的每一项内容。设备描述符内信息包括端点0的最大包长度、设备所支持的配置个数、设备类型、VID、 PID、字符串索引等信息。如下图所示。

根据如果有字符串描述符，主机会获取语言ID描述符和字符串描述符。

主机发送Get_Descriptor_Configuration请求并解析标准配置描述符，标准配置描述符内信息包括配置描述符集合长度、接口数、设备属性、设备所需电流。如下图所示。

配置描述符集合包括标准配置描述符、接口描述符、端点描述符，如果是HID设备还会包括HID描述符，主机会根据上面得到的标准配置描述符的wTotalLength，发送了一个Get_Descriptor_Configuration请求获取到配置描述集合并解析所有描述符，从而知道设备到底是什么样的设备。

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，现在就将控制权交到设备驱动了。对于复合设备，通常应该是不同的接口配置给不同的驱动。

主机发送Set_Configuration请求来正式确定选择设备的哪个配置作为工作配置（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(Configured)。

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