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据，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