USB原理之一连接建立（四）2022-02-13

1.基础通信模型

一个点对点通信模型如下，有三个关键点，通信的双方AB，通信的通道以及数据传输。不同的通信介质，不同的传输协议具体传输实现的细节、要求以及适用的场景都有所区别。在无线通信领域，通信的介质是微波，常见的无线通信协议有bluetooth、zigbee、ant协议，还有局域网中的WLAN，以及基站用到的3G、4G、5G协议簇等等。而在有线通信中，UART、SPI、IIC等通信也都不外乎这个基础模型。在网络应用中，传输协议TCP、UDP在这个模型基础上有了区别，即TCP是面向连接，要管理维护连接，而UDP是无连接，也就是下图中的连线是存在的，但通信的双方并不关注而已。而当这个基础模型适用于USB通信的时候，每个要素都赋予了新的含义。首先来说通信的双方A和B。USB是一种主从结构，主机叫Host，从机叫Device，所以我们经常把从机叫做设备。USB数据通信只能发生在主机与从机之间（新的USB扩展规范USB OTG可以实现主机与主机之间通信，但实质也是通过设备作为媒介实现），所有的数据通信都由主机发起，而从机只能被动地应答。通常，通信的双方是电脑端与USB设备，因此，准确的说通信的双方是主机软件与设备上的端点。USB数据在主机软件与USB设备特定的端点间被传输。主机软件与USB设备特定的端点间的关联叫做pipes。一个USB设备可以有多个管道(pipes)。对于数据传输，USB规定了自己帧格式、对不同传输类型做了分类，后续原理篇一一介绍。

对于像串口类似的简单的通信，双方设备支持串口协议，仅需基本配置一致，物理上连线即可通信。对于USB通信，由于它涵盖的范围广，支持的设备多，通信速率快，适用场景丰富，因此从设备上电、标准请求、连接建立、设备枚举、数据通信都有其自身的概念和术语，下面各节将按照这个逻辑依次说明。

2.连接建立与枚举

USB架构中（前面已介绍）， hub负责检测设备的连接和断开，利用其中断IN端点(Interrupt IN Endpoint)来向主机（Host）报告。在系统启动时，主机轮询它的根hub（Root Hub）的状态看是否有设备（包括子hub和子hub上的设备）连接。主机检测到D+与D-之间有电压差，就认为有新的设置接入。一旦获悉有新设备连接上来，主机就会发送一系列的请求(Resqusts)给设备所挂载到的hub，再由hub建立起一条连接主机（Host）和设备（Device）之间的通信通道（pipe）。然后主机以控制传输(Control Transfer)的方式，通过端点0(Endpoint 0)对设备发送各种请求，设备收到主机发来的请求后回复相应的信息，进行枚举（Enumerate）操作。所有USB设备必须支持标准请求（StandardRequests），控制传输方式（Control Transfer）和端点0（Endpoint 0）。所谓枚举，就是从设备读取一些信息，知道设备是什么样的设备，如何进行通信，这样主机就可以根据这些信息来加载合适的驱动程序。调试USB设备，很重要的一点就是USB的枚举过程，只要枚举成功了，那么就已经成功大半了。
具体过程：
设备插入
1）用户插入USB（设备处于上电状态，端口不工作）,Hub检测各个端口（能判断是什么设备）并用中断端点向host报告各个端口状态。
2）host发送request（Get_Port_Status）请求连接设备，hub回复设备速度类型信息。
3）host等待100ms，让电源稳定，发送复位请求（Set_Port_Feature）到设备（单对单），host不断查询设备复位状态（Get_Port_Status请求），hub持续10ms复位，当撤销后设备就处于默认／空闲状态（Default state），准备接收主机发来的请求。
4）主机发送Get Descriptor请求获取默认管道的最大包长度，再次复位，再次复位的目的是使设备进入一个确定的状态（不是规定的状态，是windows的行为）。
5）Host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。
枚举过程
6）然后正式进入描述符的解析，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。设备接到包后就开始解析包（其实就是你在固件程序里判断处理），然后按固定格式返回自己设备的设备描述符，这一步主要是主机知道你的USB设备的基础属性。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。之后主机发送Get_Descriptor请求，读取配置描述符（Configuration Descriptor），字符串等，逐一了解设备更详细的信息。
7）主机通过解析描述符后对设备有了足够的了解，选择一个最合适的驱动给设备。然后tell the world（announce_device）说明设备已经找到了，最后调用设备模型提供的接口device_add将设备添加到 usb 总线的设备列表里，然后 usb总线会遍历驱动列表里的每个驱动，调用自己的 matc（usb_device_match）函数看它们和你的设备或接口是否匹配，匹配的话调用device_bind_driver函数，现在就将控制权交到设备驱动了。（读完设备描述符，控制权交给驱动，设备进入配置状态）驱动（注意，这里是驱动，之后的事情都是有驱动来接管负责与设备的通信）。
8）根据前面设备回复的信息，发送Set_Configuration请求来正式确定选择设备的哪个配置（Configuration）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)，当然，设备也应该使能它的各个接口（Interface）。