• USB插入电脑的硬件检测和枚举流程


    USB协议定义了设备的6种状态,仅在枚举过程种,设备就经历了4个状态的迁移:上电状态(Powered),默认状态(Default),地址状态(Address)和配置状态(Configured)(其他两种是连接状态和挂起状态(Suspend))。

    下面步骤是Windows系统下典型的枚举过程,但是固件不能依此就认为所有的枚举操作都是按照这样一个流程行进。设备必须在任何时候都能正确处理所有的主机请求。

     

    1.用户把USB设备插入USB端口或给系统启动时设备上电

        这里指的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)。如下图。

                                            

    USB全速/高速设备上电连接

    (Full-speed Device Cable and Resistor Connections)

     

        检测到设备后,hub继续给设备供电,但并不急于与设备进行USB传输。

     

    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(standardhub-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告诉模式下工作。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。

     

    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。Get_Descriptor请求(Device type)和设备描述符(已抹去VID,PID等信息)

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