• USB协议分析


    1.USB设备逻辑结构
    在USB设备的逻辑组织中,包含设备、配置、接口和端点4个层次。设备通常有一个或多个配置,配置通常有一个或多个接口,接口有零或多个端点。


    1.1 设备逻辑结构
    每个USB设备都可以包含一个或多个配置,不同的配置使设备表现出不同的功能组合,配置由多个接口组成。在USB协议中,接口代表一个基本的功能,一个功能复杂的USB设备可以具有多个接口,而接口是端点的汇集一个USB播放器带有音频,视频功能,还有旋钮和按钮。
    配置1: 音频(接口)+旋钮(接口)
    配置2: 视频(接口)+旋钮(接口)
    配置3: 音频(接口)+视频(接口)+按钮(接口)
    音频接口,视频接口,按钮接口,旋钮接口均需要一个驱动程序。

    USB设备中的唯一可寻址的部分是设备端点,端点的作用类似于寄存器。每个端点在设备内部有唯一的端点号,这个端点号是在设备设计时给定的。主机和设备的通信最终都作用于设备上的各个端点。每个端点所支持的操作都是单向的,要么只读,要么只写。

    1.2 USB描述符
    当我们把USB设备(如:USB鼠标)插到我们的PC时,主机能够自动识别出我们的USB设备类型.

    在每一个USB设备内部,包含了固定格式的数,通过这些数据,USB主机就可以获取USB设备的类型、生产厂商等信息。这些固定格式的数据,我们就称之为USB描述符。标准的USB设备有5种USB描述符:设备描述符,配置描述符,接口描述符,端点描述符,字符串描述符

    一个USB设备只有一个设备描述符,设备描述符长度为18个字节,格式如USB左图(《specification :Table-9.8》)
    bLength : 描述符长度,固定为0x12。
    bDescriptorType : 设备描述符类型,固定为0x01。
    bcdUSB : USB 规范发布号。表示了本设备能适用于那种协议,如2.0=0200
    bDeviceClass : 类型代码
    bDeviceSubClass : 子类型代码
    bDeviceProtocol : 协议代码。
    bMaxPacketSize0 : 端点0最大分组大小。
    dVendor : 供应商ID。
    dProduct : 产品ID(由厂商分配)。
    bcdDevice : 设备出产编码,由厂家自行设置。
    Manufacturer : 厂商描述符字符串索引.索引到对应的字符串描述符。
    Product : :产品描述符字符串索引。
    SerialNumber : 设备序列号字符串索引。
    bNumConfigurations : 可能的配置数。

    USB配置描述符长度为8个字节,格式如下图(《USB specification :Table-9.10》)
    bLength : 描述符长度,固定为0x09。
    bDescriptorType : 配置描述符类型,固定为0x02。
    wTotalLength : 返回整个数据的长度,指此配置返回的配置描述符,接口描述符以及端点描述符的全部大小。
    bNumInterfaces : 配置所支持的接口数,指该配置配备的接口数量,也表示该配置下接口描述符数量。
    bConfigurationValue : 作为Set Configuration的一个参数选择配置值。
    iConfiguration : 用于描述该配置字符串描述符的索引。
    bmAttributes : 供电模式选择。Bit4-0保留,D7:总线供电,D6:自供电,D5:远程唤醒。
    MaxPower : 总线供电的USB设备的最大消耗电流,以2mA为单位。

    USB接口描述符长度为8个字节《USB specification》Table-9.12
    bLength : 描述符长度,固定为0x09。
    bDescriptorType : 接口描述符类型,固定为0x04。
    bInterfaceNumber: 该接口的编号。
    bAlternateSetting : 用于为上一个字段选择可供替换的设置。
    bNumEndpoint : 使用的端点数目,端点0除外。
    bInterfaceClass : 类型代码(由USB组织分配)。
    bInterfaceSunClass : 子类型代码(由USB组织分配)。
    bInterfaceProtocol : 协议代码(由USB组织分配)。
    iInterface : 字符串描述符的索引。

    USB端点描述符长度为7个字节,格式如下图(USB specification :Table-9.13)
    bLength : 描述符大小,固定为0x07。
    bDescriptorType : 接口描述符类型,固定为0x05。
    bEndpointType : USB设备的端点地址。Bit7,方向,对于控制端点可以忽略,1/0:IN/OUT。Bit6-4,保留。BIt3-0:端点号.
    bmAttributes : 端点属性,Bit7-2,保留。BIt1-0:00控制,01同步,02批量,03中断。
    wMaxPacketSize : 本端点接收或发送的最大信息包大小。
    bInterval : 轮训数据传送端点的时间间隔.对于批量传送和控制传送的端点忽略.对于同步传送的端点,必须为1,对于中断传送的端点,范围为1-255。

    2.USB数据通讯
    最顶层(传输transfer)->事务(transaction)->包(packet)->域(domain)。

    USB的数据通讯首先是基于传输(Transfer)的,传输的类型有:中断传输、批量传输、同步传输、控制传输.

    一次传输由一个或多个事务(transaction)构成,事务可分为:In事务,Out事务,Setup事务

    一个事务由一个或多个包(packet)构成,包可分为:令牌包(setup)、数据包(data)、握手包(ACK)和特殊包

    一个包由多个域构成,域可分为:同步域(SYNC),标识域(PID),地址域(ADDR),端点域(ENDP),帧号域(FRAM),数据域(DATA),校验域(CRC)


    3.USB设备枚举
    USB设备在正常工作以前, 第一件要做的事就是枚举。枚举是让主机认得这个USB设备, 并且为该设备准备资源,建立好主机和设备之间的数据传递通道。
    1. 获取设备描述符
    2. 复位
    3. 设置地址
    4. 再次获取设备描述符
    5. 获取配置描述符
    6. 获取接口、端点描述符
    7. 获取字符串描述符
    8. 选择设备配置

    分析需要安装Software USBTracerTrainer,然后打开文件分析。实际分析USB需要设备抓取。打开文件后选择hide sof和nak,再打开xfr按钮。这样就很清楚了
    分析USB_mouse.usb:
    第一步:发送传输0,要求提供设备描述符

    传输1、2、3、4就是返回的设备描述符,从data中可以看出了8、8、2

    第二步:返回复位信号

    第三步:设置地址

    第三步:再次获取设备描述符

    获取配置描述符


    获取字符串描述符、选择配置使用



    无欲速,无见小利。欲速,则不达;见小利,则大事不成。
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