原文：https://blog.csdn.net/go_str/article/details/80802452 

前言
    現在剛開始接觸USB的開發，零零散散學習了一些USB基礎知識，但是卻得不到連貫。在這個學習過程中首先困惑的就是USB通訊過程究竟是什麼樣子的，我覺得做一下的瞭解後整合後記錄下來，首先從USB整體結構基礎來入手直到整個通訊過程。可能有理解不到位的地方，望各位能夠指正，我會及時改正。
一、USB系統的結構
    USB系統是由三個邏輯層組成：功能層、USB裝置層和USB匯流排介面層。並且每一層都是由主機和USB裝置不同的功能模組組成，如下圖所示：

1、功能層(介面)
    功能層是由客戶軟體和裝置方的功能單元組成，其能夠實現USB裝置傳輸的特定功能。通過功能層可直觀地理解USB傳輸的資料內容。其中，客戶軟體通過USB系統軟體來與USB裝置進行通訊。功能單元對於客戶軟體，可視為介面的集合。

2、USB裝置層 (端點)
    USB裝置層是由USB系統軟體和USB裝置的USB邏輯裝置組成，其實現主機和USB裝置之間傳輸的具體配置。USB邏輯裝置對於USB系統軟體，可視為端點的集合。

3、USB匯流排介面層 
    USB匯流排介面層是由主機的USB主控制器和裝置的USB匯流排介面組成。其實現主機和USB裝置實際的資料傳輸。

4、主機部分
    USB主機部分由客戶軟體、USB系統軟體和USB匯流排介面組成。
4.1 客戶軟體
    客戶軟體負責和USB裝置的功能單元進行通訊，以實現特定的功能。客戶軟體不能直接與USB裝置相連線，必須通過USB系統軟體和USB匯流排接口才能實現連線。客戶軟體包括USB裝置驅動程式和介面應用程式兩部分。

4.2 USB系統軟體
    USB系統軟體負責和USB邏輯裝置進行配置通訊，並管理客戶軟體啟動的資料。一般包括USB匯流排驅動程式、USB主控制驅動程式和非USB主機軟體三個部分，這部分會由系統提供。

4.3 USB匯流排接
    USB匯流排介面包括主控制器和跟集線器兩部分。其中，主控制器是負責完成主機和USB裝置間的資料實際傳輸。根集線器是為USB系統連線起點。

5、裝置部分
    USB裝置部分由三個功能模組組成，分別是USB匯流排介面、USB邏輯裝置和功能單元。
    功能單元看作是一個介面的集合；USB 邏輯裝置被USB系統軟體看作一個端點的集合；USB匯流排介面是USB裝置中的序列介面引擎(SIE)。

    當客戶程式通過USB管道傳送或接收資料時，它首先呼叫Win32 APl，呼叫最終將使功能驅動程式收到一個IRP。而驅動程式的工作就是把客戶的請求引導到有正確端點的管道上。它把請求提交到匯流排驅動程式，匯流排驅動程式再把請求分解成多個事務，然後這些事務被送往匯流排。總線上的資訊流以每毫秒一幀資料的形式流動。匯流排驅動程式必須安排好多個事務以使它們能被裝入同一幀中。

二、USB的拓撲結構
    USB是一種主從結構的系統。主機叫Host,從機叫做Device（也叫裝置）。通常所說的主機具有一個或者多個USB主控制器（host  controller）和根集線器（root hub）。主控制器主要負責資料處理，而跟集線器則提供一個連線主控制器與裝置之間的介面和通路。
    通常情況下，PC機上有多個主控器和多個USB口，一個主控器下有一根集線器，一根集線器通常具有一個或者幾個USB介面。通常集線器可以通過USB集線器來擴充套件USB介面，只是頻寬是不能夠拓寬的，因為頻寬是共享一個USB主控器的。
    瞭解上面的資訊後，再來看USB的拓撲結構如下圖：

USB的拓撲結構看起來是一個金字塔形的結構，具體構成如下：
    塔頂是USB的主控器和根集線器，下面接USB集線器，USB集線器將一個USB口擴充套件為多個USB口，多個USB口同樣可以通過USB集線器擴展出更多的介面。不過USB口並不能通過USB集線器無止境的擴充套件，他是有限制的，例如在USB2.0規定它最多擴充套件6次。
    理論上一個USB主控器最多可接127個裝置，這是因為協議規定每個USB裝置具有一個7bit地址(取值範圍為0~127，地址用於給主機識別是哪個裝置，其中0地址值得注意，是給剛接入未初始化的裝置使用的)。

三、USB的裝置架構
    裝置架構認為裝置是由一些配置、介面和端點構成的。其中配置和介面是USB功能的抽象，實際的資料傳輸由端點來完成。其對應關係如下圖所示：

1.裝置 
    裝置代表USB裝置，它由一個或多個配置組成。裝置描述符用於說明裝置的總體資訊，並指出其所包含配置的個數。

2.配置 
    在使用USB裝置前，必須為其選擇一個合適的配置。如USB裝置的低功耗模式和高功耗模式分別對應一個配置。配置描述符用於說明USB裝置中各個配置的特性。

3.介面 
    一個配置可以包含一個或多個介面。介面是一個端點的集合。介面描述符用於說明USB裝置中各個介面的特性。 

4.端點 
    端點是USB裝置中的實際物理單元，USB資料傳輸就是在主機和USB裝置各個端點之間進行的。
    
5、管道
    管道，是主機軟體(資料緩衝區)和USB裝置的各個端點之間的資料傳輸連結，它是兩者之間通訊流的抽象。然而，實際的資料傳輸是由USB匯流排介面層來完成的。管道和USB裝置中的端點一一對應，並且各個管道的資料傳輸是相互獨立的。
    管道有兩種型別：流管道和訊息管道。其中最為重要的訊息管道是“預設控制管道”，這個管道在裝置開始上電後就存在了，它用於提供裝置的配置與狀態等資訊。主機與裝置之間的聯絡就是通過訊息管道實現的。

四、USB列舉與通訊的具體過程
1、USB接頭
    下圖是一個USB接頭的結構圖：

    由圖可以看出，標準的USB連結線使用4芯電纜：5V電源線（Vbus）\差分資料線負（D-）、差分資料線正（D+）和地線（GND）。
    在hub端，資料線D+和D-都有一個阻值在14.25k到24.8k的下拉電阻Rpd，而在裝置端，D+（全速，高速）和D-（低速）上有一個1.5k的上拉電阻Rpu。當裝置插入到hub埠時，有上拉電阻的一根資料線被拉高到幅值的90%的電壓（大致是3V）。hub檢測到它的一根資料線是高電平，就認為是有裝置插入，並能根據是D+還是D-被拉高來判斷到底是什麼裝置（全速/低速）插入埠。

2、USB通訊過程
    主機和USB裝置可以相互傳輸資料，其具體過程如下(以主機箱裝置傳輸為例)：
step1：客戶軟體首先將要傳輸的資料放入緩衝區，同時向USB匯流排驅動程式發出IRPS，請求資料傳輸。（客戶軟體）step2：USB匯流排驅動接收到程式接收請求，並對資料進行處理，轉化為具有USB格式的事務處理。（USB系統軟體）
step3：USB主控制器驅動程式將這些事務處理建立成事務列表，同時要求不能超過USB頻寬。（USB系統軟體）
step4：USB主控制器讀取到事務列表並將事務轉化為資訊包，傳送到USB總線上。（USB匯流排介面）
step5：USB裝置收到這些資訊後，SIE(USB匯流排介面是USB裝置中的序列介面引擎)將其解包後放入指定端點的接收緩衝區內，由晶片韌體對其進行處理。

用框圖表示如下：

3、USB列舉通訊具體過程
     列舉就是從裝置讀取一些資訊，知道裝置是什麼樣的裝置，如何進行通訊，這樣主機就可以根據這些資訊來載入合適的驅動程式。除錯USB裝置，很重要的一點就是USB的列舉過程，只要列舉成功了，那麼就已經成功大半了。

列舉通訊過程具體如下：
step1：檢測電壓變化，報告主機
    首先，USB裝置上電後，一直監測USB裝置介面電平變化HUB檢測到有電壓變化，將利用自己的中斷端點將資訊反饋給主控制器有裝置連線。

Step2：主機瞭解連線裝置
    主機在知道有裝置接入後會傳送一個Get_Port_Status請求(request)給hub以瞭解此次狀態改變的確切含義。

Step3：Hub檢測所插入的裝置是高速還是低速
    hub通過檢測USB匯流排空閒(Idle)時差分線的高低電壓來判斷所連線裝置的速度型別，當host發來Get_Port_Status請求時，hub就可以將此裝置的速度型別資訊回覆給host。USB 2.0規範要求速度檢測要先於復位（Reset）操作。

Step4：hub復位裝置
    主機一旦得知新裝置已連上以後，它至少等待100ms以使得插入操作的完成以及裝置電源穩定工作。然後主機控制器就向hub發出一個 Set_Port_Feature請求讓hub復位其管理的埠(剛才裝置插上的埠)。hub通過驅動資料線到復位狀態(D+和D-全為低電平 )，並持續至少10ms。當然，hub不會把這樣的復位訊號傳送給其他已有裝置連線的埠，所以其他連在該hub上的裝置自然看不到復位訊號，不受影響。

Step5： Host檢測所連線的全速裝置是否是支援高速模式
    因為根據USB 2.0協議，高速（High Speed）裝置在初始時是預設全速（Full Speed ）狀態執行，所以對於一個支援USB 2.0的高速hub，當它發現它的埠連線的是一個全速裝置時，會進行高速檢測，看看目前這個裝置是否還支援高速傳輸，如果是，那就切到高速訊號模式，否則就一直在全速狀態下工作。
    同樣的，從裝置的角度來看，如果是一個高速裝置，在剛連線bub或上電時只能用全速訊號模式執行（根據USB 2.0協議，高速裝置必須向下相容USB 1.1的全速模式）。隨後hub會進行高速檢測，之後這個裝置才會切換到高速模式下工作。假如所連線的hub不支援USB 2.0，即不是高速hub，不能進行高速檢測，裝置將一直以全速工作。

Step6：Hub建立裝置和主機之間的資訊通道
    主機不停地向hub傳送Get_Port_Status請求，以查詢裝置是否復位成功。Hub返回的報告資訊中有專門的一位用來標誌裝置的復位狀態。
       當hub撤銷了復位訊號，裝置就處於預設／空閒狀態（Default state），準備接收主機發來的請求。裝置和主機之間的通訊通過控制傳輸，預設地址0，端點號0進行。此時，裝置能從總線上得到的最大電流是100mA。(所有的USB裝置在匯流排復位後其地址都為0，這樣主機就可以跟那些剛剛插入的裝置通過地址0通訊。)

Step7：主機發送Get_Descriptor請求獲取預設管道的最大包長度
     預設管道（Default Pipe）在裝置一端來看就是端點0。主機此時傳送的請求是預設地址0，端點0，雖然所有未分配地址的裝置都是通過地址0來獲取主機發來的請求，但由於列舉過程不是多個裝置並行處理，而是一次列舉一個裝置的方式進行，所以不會發生多個裝置同時響應主機發來的請求。
      裝置描述符的第8位元組代表裝置端點0的最大包大小。雖然說裝置所返回的裝置描述符（Device Descriptor）長度只有18位元組，但系統也不在乎，此時，描述符的長度資訊對它來說是最重要的，其他的瞄一眼就過了。當完成第一次的控制傳輸後，也就是完成控制傳輸的狀態階段，系統會要求hub對裝置進行再一次的復位操作（USB規範裡面可沒這要求）。再次復位的目的是使裝置進入一個確定的狀態。

Step8：主機給裝置分配一個地址
     主機控制器通過Set_Address請求向裝置分配一個唯一的地址。在完成這次傳輸之後，裝置進入地址狀態（Address state），之後就啟用新地址繼續與主機通訊。這個地址對於裝置來說是終生制的，裝置在，地址在；裝置消失（被拔出，復位，系統重啟），地址被收回。同一個裝置當再次被列舉後得到的地址不一定是上次那個了。

Step9：主機獲取裝置的資訊
    主機發送 Get_Descriptor請求到新地址讀取裝置描述符，這次主機發送Get_Descriptor請求可算是誠心，它會認真解析裝置描述符的內容。裝置描述符內資訊包括端點0的最大包長度，裝置所支援的配置（Configuration）個數，裝置型別，VID（Vendor ID，由USB-IF分配）， PID（Product ID，由廠商自己定製）等資訊。
    之後主機發送Get_Descriptor請求，讀取配置描述符（Configuration Descriptor），字串等，逐一瞭解裝置更詳細的資訊。事實上，對於配置描述符的標準請求中，有時wLength一項會大於實際配置描述符的長度（9位元組），比如255。這樣的效果便是：主機發送了一個Get_Descriptor_Configuration 的請求，裝置會把介面描述符，端點描述符等後續描述符一併回給主機，主機則根據描述符頭部的標誌判斷送上來的具體是何種描述符。
      接下來，主機就會獲取配置描述符。配置描述符總共為9位元組。主機在獲取到配置描述符後，根據裡面的配置集合總長度，再獲取配置集合。配置集合包括配置描述符，介面描述符，端點描符等等。
     如果有字串描述符的話，還要獲取字串描述符。另外HID裝置還有HID描述符等。

Step10： 主機給裝置掛載驅動（複合裝置除外）
    主機通過解析描述符後對裝置有了足夠的瞭解，會選擇一個最合適的驅動給裝置。  然後tell the world（announce_device）說明裝置已經找到了，最後呼叫裝置模型提供的介面device_add將裝置新增到 usb 匯流排的裝置列表裡，然後 usb匯流排會遍歷驅動列表裡的每個驅動，呼叫自己的 match（usb_device_match） 函式看它們和你的裝置或介面是否匹配，匹配的話呼叫device_bind_driver函式，現在就將控制權交到裝置驅動了。   
     對於複合裝置，通常應該是不同的介面（Interface）配置給不同的驅動，因此，需要等到當裝置被配置並把介面使能後才可以把驅動掛載上去。

Step11：裝置驅動選擇一個配置
    驅動（注意，這裡是驅動，之後的事情都是有驅動來接管負責與裝置的通訊）根據前面裝置回覆的資訊，傳送Set_Configuration請求來正式確定選擇裝置的哪個配置（Configuration）作為工作配置（對於大多數裝置來說，一般只有一個配置被定義）。至此，裝置處於配置狀態(Configured)，當然，裝置也應該使能它的各個介面（Interface）。
    對於複合裝置，主機會在這個時候根據裝置介面資訊，給它們掛載驅動