第10章
USB主机如何识别设备

虽然游戏操纵杆已经能够正常工作，但是非常好学的你肯定很想知道：为什么开发板上的按键可以控制PC鼠标的移动方向呢？为什么在PC任意一个USB接口依次插入的鼠标、键盘或其他USB设备都能够被正确识别呢？这就是 总线枚举 （Bus Enumeration）的功劳。

什么是枚举呢？以公司招聘面试为例，面试官通常会根据面试者的简历提出一些问题，然后针对回复提出另一个有一定关联的问题，依次循环，继而达到全面考查面试者业务水平的目的，经过综合评估才能判断是否符合公司的录用标准。当面试者通过面试顺利入职公司后，相关部门通常会在管理系统中增加一条代表“面试者就职于该公司”的记录，同时分配一个工号。例如，“1”号通常就是意气风发的老板，“7259”号就是籍籍无名的你。

整个面试与入职 过程就是一次完整的枚举过程。在面试的场景中，你就是USB设备，公司就是USB主机，而面试官则负责建立一套“是否符合公司录用标准”的判断流程。所以简单地说，枚举就是“识别”或“鉴别”的同义词，而员工的工号就相当于主机给设备分配的地址（一个USB主机最多可以扩展127个设备，而每个设备都会有一个唯一的地址），如图10.1所示。

同样的道理，当USB设备连接到PC（主机）时，PC也需要询问一些关于它的信息，以确定到底是个什么东西。PC当然是不能说话的，它只会发送一些命令， USB设备必须对这些命令进行响应 ，否则枚举就会失败（问话你一声不吭，面试失败）。当然， USB设备必须进行正确响应 ，“乱弹琴”也会导致枚举失败（回答问题牛头不对马嘴，面试失败）。当然， 即便枚举成功了，也不一定代表USB设备肯定能够正常工作 （有些人面试时能说会道，但真正做起事来却完全不行，失败中的失败），就像每个人（USB设备）进出城门需要特定令牌一样，令牌本身代表着一定的特权，拿着它就能够自由进出城门（枚举成功了），但是令牌本身可能是抢来或骗来的，这个人本身并不具备享有该特权的合法资格，也就无法真正实施与该特权相当的事情（USB设备不能正常工作），只不过用来欺骗守城门人（枚举流程）而已。

概括来讲，如果我们要让自己的USB设备成功与主机传输数据，关键的两个步骤是必须进行的。其一， 让USB设备遵循USB规范正确回应主机的命令，以成功完成枚举过程 。其二， 在枚举成功后，将数据按正确的格式进行传输 。

有些人可能会想：怎么还要响应命令呢？粗看了一下貌似很复杂，玩不了，回家洗洗睡了！这里必须得打击你一下，USB底层的实现确实有点复杂，因为USB 的简易性 是以 协议的复杂性 为代价的。但幸运的是，通常厂商都会将底层的核心实现打包成了固件库，我们只要修改 应用方面 的一些数据即可。也就是说，如果只是使用USB传输数据，你没机会（也不需要）去修改底层那些复杂的源代码。

那到底需要修改什么地方才能成功完成总线枚举呢？其实道理跟工程师做项目一样！例如，当我们使用单片机编程来控制新的元器件时，首先需要了解元器件的基本原理，包括硬件电路的连接要求、通信时序、寄存器定义等。厂家为了方便用户使用，通常都会准备好相应的数据手册，它包含了用户应用该元器件的所有信息。

同样的道理，如果将你当成一台PC，当USB鼠标与某个USB接口相连时，你又是怎么知道它是鼠标，而不是键盘或其他设备呢？很明显，你（PC）也需要数据手册之类能够描述插入设备所有信息的媒介，对不对？USB规范中定义的描述符（Descriptor）就是这个目的。

描述符本身就是一些常量数据。例如，现在要定义一个员工的描述符，它应该包含姓名、性别、年龄、工号等信息，我们可以称这些信息为字段（Field），相应可供使用的结构体类似如清单10.1所示。

为了方便数据的传输，我们也可以统一使用无符号8位整型（uint8_t）数组来描述员工信息，只要约定好字符串与字段之间的对应关系即可，类似如清单10.2所示。

数组name中保存了具体姓名对应的英文字符串，为了能够表达世界上所有语言的字符，我们采取了目前通用的Unicode，它采用双字节16位进行编号，可最多编码65536个字符。英文字母的ASCII补0（一个字节）就是相应的Unicode（低位在前）。例如，字符“A”的ASCII为0x41，则相应的Unicode编码为0x0041。而在数组longhu中，“姓名”字段则只保存name数组中对应的索引即可。我们再约定“0”代表女性，“1”代表男性，所以“性别”字段对应的数值就是1。年龄为35自然不用多说。需要特别注意的是，我们再次约定使用两个字节的BCD码来表示工号，并且低2位在前面，高2位在后面，所以相应的工号为“7259”。我们也可以进一步增加更多信息，这样数组longhu就可以完整地表达员工的信息（描述符）了。

USB规范定义的描述符也是类似的，常用的标准描述符就包括设备描述符（Device Descriptor）、配置描述符（Configuration Descriptor）、接口描述符（Interface Descriptor）、端点描述符（Endpoint Descriptor）、字符串描述符（String Descriptor），它们定义的字段比之前的员工描述符更复杂一些，但基本的原理仍然相同。也就是说，我们总是会使用类似 常量整数数组 的方式保存关于USB设备的一些信息，主机会通过特定的命令来查询，USB设备只需要在必要的时候响应主机的命令即可。当然，我们没有必要对所有细节都亲力亲为，厂商已经将底层细节实现打包成了固件库，甚至发布好了经过测试的例程， 我们只需要找到描述符定义所在的源文件，再根据USB规范修改一些常量数据即可 。如果这些常量数据修改正确，厂商提供的固件库会自动根据主机发送的命令提交描述符信息，这样主机就能够正确识别你的USB设备，也就完成了整个总线枚举过程。

与使用单片机控制元器件一样，我们还需要清楚元器件所在的状态。例如，不能在元器件处于复位期间发送命令，也不能在休眠状态下发送它无法响应的命令。在枚举与正常工作过程中，USB设备也会处于不同的状态，主机也必须清楚设备当前所处的状态。USB规范定义了6种USB设备的状态，如表10.1所示（符号“—”表示不关心）。

USB设备可以与主机连接（Attached）或断开（Detached）， 连接状态 指的是物理层面的状态，此时还没有直接与USB接口的信号线连通，而 供电状态 （Powered）则可以理解为仅电源连接（信号线未连接）。我们前面已经提过，为了实现USB设备热插拔， USB物理接口中的电源线比数据线要长一些 ，所以才会存在 供电状态 。当然，你也可以认为 供电状态 是USB设备的数据线已经与主机连接，但是还没有对总线有任何响应之前的状态。

默认状态 （Default）是USB设备的数据线与主机连接后，主机对设备进行复位后的状态。所有USB设备在供电与复位以后都使用默认地址（也就是0），此时设备处于 可编址 状态（Addressable），图10.2展示了未连接、连接、供电、默认4个状态（仅用于状态理解示意）。

设备处于 可编址状态 （ 默认状态 ）后，USB主机给设备分配一个唯一的地址，设备进入了 编址状态 （Address），而在USB设备正常工作前还必须被正确配置，这样成功配置后的USB设备才会最终处于 已配置状态 （Configured）。 挂起状态 （Suspended）主要是为节省电源，所有设备在一段特定时间（典型值为3ms）内没有总线活动时会自动进入该状态，无论设备是否已经分配地址或者完成配置，此时USB设备保持本身的内部状态（包括地址及配置）。另外，如果USB设备所连接的集线器端口失效（例如，使用命令禁用某个端口），USB设备也会进入挂起状态，这在USB规范中属于选择性挂起（Selective Suspend）。相反，当总线有活动时，设备会被唤醒（Wakeup）而退出 挂起状态 ，也称从 挂起状态 恢复（Resume）。

USB规范给出了设备状态的转换关系，如图10.3所示，填充圆圈中的状态对主机是可见的。

对于我们设计的基于STM32单片机的USB设备，所有状态被定义在usb_pwr.h头文件中，如清单10.3所示。其中，DEVICE_STATE枚举类型中定义了6种状态，当USB设备未与主机相连时，默认处于未连接状态（UNCONNECTED）。只有当USB设备处于 已配置状态 （CONFIGURED）时，USB设备才是可用的，所以在清单9.1中，每次读取按键状态前必须先判断设备的状态（bDeviceState）是否处于 已配置状态 ，因为在USB设备尚未完成配置前，即使有按键按下的情况发生，也无法正常给主机发送数据。另外，需要特别注意的是，DEVICE_STATE枚举类型中定义的ATTACHED对应表10.1中的默认状态，后续在阅读代码时就会知道。

在对USB设备的状态进行初步了解之后，我们来看看详细的USB总线枚举的全部过程，如图10.4所示。

主机端的USB集线器监视着每个下行端口的信号线电压，当USB设备连接主机时会被检测到，此时USB设备处于供电状态，然后主机会对USB设备进行复位操作，并通过发送命令来验证是否完成设备复位（成功复位后的USB设备默认地址为0，即处于 默认状态 ）。如果设备支持全速模式，则其在复位期间还会检测设备是否支持 高速 模式（涉及比较复杂的协议，现在知道有这回事就可以了，后续还会详细讨论）。

紧接着，主机第一次发送获取 设备描述符 命令， 设备描述符 提供关于USB设备的多种信息（共18个字节，后述），但第一次只会读取该描述符的前8个字节，用来获得设备端点0支持的最大数据包字节长度（第8个字节包括该信息）。

到目前为止，主机通过默认的地址0与设备进行通信（主机一次只能枚举一个USB设备，所以同一时刻只有一个USB设备使用默认地址），主机此时发送命令给为设备分配唯一的（非0）地址。设备收到该命令后保存分配的新地址，并且返回确认信息，此后主机与设备之间的通信都将使用新地址，USB设备也就进入了 编址态 。

主机随后再次（给已分配新地址的设备）发出获取 设备描述符 的命令获取完整的设备信息（18个字节）。由于USB设备还定义了一个或多个 配置描述符 （包括所属的 接口 、 端点及其他描述符 ），主机紧接着再次或多次发出获取 配置描述符 命令，如果 设备描述符 中指定了描述厂商、产品和设备序列号等信息的 字符串描述符 索引（相当于清单10.2中的longhu数组中的“姓名”字段值），则主机同样会再次发出获取 字符串描述符 命令。

主机已经从所获取的多个描述符中充分知悉了关于USB设备的所有信息，然后开始为设备选择并加载合适的驱动程序。如果一切顺利，设备驱动程序就会接管原属于主机的控制权，并发送命令为设备选择合适的配置（进入 已配置状态 ），USB枚举过程至止结束，设备可以正常使用了。

如果觉得USB总线枚举的过程有点复杂，那可以这么说：以上所述还只是简化描述。实际枚举过程还涉及底层握手信号的状态细节，现阶段的你只需要知道总枚举的总体流程就行了，后续我们还会深入探讨，现在亟须解决的问题是： 配置、接口、端点到底是什么呢？它们对应的描述符又有什么关系呢？ 请参见后文。 sWKOwHq+X01NgrhmaNczuqqUVmC+A7b73mUiiP5ZMJ80ZOjSMsoojieDt058Motr