USB 2.0 协议专栏之 USB 2.0 连接与枚举（二）

前言：本篇博客为手把手教学的 USB 2.0 协议栈类精品博客，该专栏博客侧重针对 USB 2.0 协议进行讲解。本篇博客将针对 USB 2.0 中的连接与枚举进行教学，USB 的枚举过程是 USB 协议中至关重要的一环，也是嵌入式工程师必须掌握的内容。USB 协议栈是嵌入式工程研发过程中很大的坑，USB 协议栈非常冗杂且深奥，但它在工程项目中却至关重要，希望这篇博文能给读者朋友的工程项目给予些许帮助，Respect！

Universal Serial Bus 版本：

Universal Serial Bus 枚举过程：

推荐网址

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一、USB 连接与检测

1.1 USB 主从机

USB HOST：

1、控制总线： USB 主机控制整个 USB 总线，包括数据传输的初始化、管理和终止。主机负责为 USB 设备提供电源，并管理所有与设备之间的通信。

2、枚举过程：当 USB 设备连接到主机时，主机通过枚举过程来识别设备，并为其分配资源。枚举包括查询设备信息、加载必要的驱动程序，并为设备分配唯一的地址。

3、带宽管理：主机负责分配总线带宽，确保各个设备按照其传输类型（控制、批量、中断、同步）的要求进行数据传输。

4、协议和标准： USB 主机必须符合 USB 规范，并能够处理各种 USB 设备类型和速度等级（如低速、全速、高速和超速）。

USB Device：

1、响应请求： USB 设备响应来自主机的请求，执行数据传输或其他操作。设备通常有一个或多个端点（Endpoint），用于与主机进行数据交换。

2、地址分配：在枚举过程中，每个 USB 设备会被主机分配一个唯一的地址，用于后续通信。

3、速度等级： USB 设备根据其速度能力被分类为低速 1.5 Mbps、全速 12 Mbps、高速 480 Mbps 或超速 5 Gbps 及以上。

4、设备类型： USB 设备可以是各种类型，如存储设备、音频设备、视频设备、打印机、键盘、鼠标等。

1.2 全速和低速 USB

低速（Low Speed）和全速（Full Speed）设备区分方法比较简单：在设备端有一个1.5k的上拉电阻，当设备插入hub或上电（固定线缆的USB设备）时，有上拉电阻的那根数据线就会被拉高，hub根据D+/D-上的电平判断所挂载的是全速设备还是低速设备。

低速设备1.5K上拉电阻位于D-
全速设备1.5K上拉电阻位于D+

(1)、低速 USB 设备：

(2)、全速 USB 设备：

(3)、高速 USB 设备（依赖于全速 USB）：

1、电缆和连接器：高速USB设备使用与全速和低速USB相同的物理连接器和电缆，但为了支持更高的数据速率，电缆的质量和电气特性必须满足更严格的标准。高速USB电缆通常有更厚的导线和更好的屏蔽。

2、信号完整性：高速信号传输要求更低的信号衰减和更好的电磁兼容性（EMC）。

1.3 USB 连接

(1)、USB 是否连接

1、USB 设备断开：主机检测到 D+ 和 D- 上近地状态（0V），并持续 2.5us 以上

2、USB 设备连接：主机检测到 D+ 或 D- 上有高电平（3V），并持续 2ms 以上

(2)、各种速度 USB 设备连接

1、Low Speed USB：主机检测到 D- 上高电平

2、Full Speed USB：主机检测到 D+ 上高电平（有可能是高速设备)

3、High Speed USB：主机检测到 D+ 上高电平，然后通过一系列协商握手信号确认双方身份(双向检查)

USB 连接时候的电平状态：

二、USB 枚举过程

2.1 USB 枚举

当 USB 产品被成功检测到连接时，USB HOST 将与 USB Device 之间进行枚举操作，USB 设备间的枚举是学习 USB 协议栈至关重要的部分！

USB 枚举过程：

USB主机检测到USB设备插入后，就要对设备进行枚举了。
枚举的作用就是从设备是那个读取一些信息，知道设备是什么样的设备，然后通信，这样主机就可以根据这些信息安装合适的驱动程序。
USB设备的枚举过程如下：

1、USB 设备插入USB 接口后，主机检测 D+/D- 线上的电压，确认有设备连接，USB 集线器通过中断 IN 通道，向主机报告有USB设备连接。

2、主机接到通知后，通过集线器设备类请求 GetPortStatus 获取更多的信息。然后主机等待100ms等待设备稳定，然后发送集线器设备类请求 SetPortStatus，对 USB 设备进行复位，复位后USB设备的地址为0，这样主机就可以使用地址 0 与USB设备进行通信,复位后的设备可以从USB总线上获取小于100mA的电流，用于使用默认地址对管道 0 控制事务响应。

3、主机向地址为 0（即刚插入的 USB 设备）的设备端点 0（默认端点）发送获取设备描述符的标准请求 GetDescriptor。

4、USB 设备收到请求后，将其预设的设备描述符返回给主机。

5、主机收到设备描述符后，返回一个 0 长度的数据确认包。

6、主机对设备再次复位，复位后主机对地址为0的设备端点0发送一个设置地址 SetAddress请求（新的设备地址在数据包中）。

7、主机发送请求状态返回，设备返回 0 长度的状态数据包。

8、主机收到状态数据包后，发送应答包 ACK 给设备，设备收到 ACK 后，启用新的设备地址。

9、主机再次使新的地址获取设备描述符 GetDescriptor，设备返回地址描述符。

10、主机获取第一次配置描述符有前 18 个字节，设备返回配置描述符的前 18 个字节，其数据包中含有配置描述符的总长度。

11、主机根据配置描述符的总长度再次获取配置描述符，设备返回全总的配置描述符。

12、如果还有字符串描述符，系统还会获取字符串描述符。像HID设备还有报告描述符，它也需要单独获取。

2.2 代码案例

本篇博客以沁恒微 CH32V307VCT6 作为 MCU 进行讲解分析（USB Device为主）：

以沁恒微 CH32V307 的官方 USB 模拟 MSC(UDISK) 为例，针对 USB 的枚举我们重点关注 ch32v30x_usbhs_device.c 这个文件，该文件中包含了一系列的 USB Device（从机）的 USB 初始化、USB 枚举和 USB 中断服务函数等操作！

在 ch32v30x_usbhs_device.c 文件中我们可以找到 USBHS_IRQHandler() 函数，该函数就是 USB 设备建立通信以及数据传输的核心函数：

在 USBHS_IRQHandler() 函数中，存在 SETUP 令牌包的处理过程。当 USB 设备进行枚举过程中，SETUP 操作将 USB 从机中保存的 Device descriptor、Configuration descriptor、 String description 等一系列描述符发送给主机进行处理（根据 USB HOST 发送的请求进行应答）：

读者朋友们可以根据自己的代码去分析一下 USBHS_IRQHandler() 函数中的内容，这部分是最核心的内容了！针对这部分出现的各类描述符，包括： Device descriptor、Configuration descriptor、 String description 等，作者将在后续的博客中进行详细讲解！