USB（二）——状态与枚举过程
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1 USB的几种状态
USB协议的讲到USB可见设备状态分为连接(Attached)，上电(Powered)，默认(Default)，地址(Address)，配置(Configured)和挂起(Suspended)6个状态。所谓可见，即USB系统和主机可见的状态，其他状态属于USB设备内部而不可见。
1.1 连接(Attached)
设备接入主机后，主机通过检测信号线上的电平变化来发现设备的接入；
1.2 上电(Powered)
USB设备的电源可来自外部电源，也可从USB接口的集线器而来。电源来自外部电源的USB设备被称作自给电源式的(self-powered)。尽管自给电源式的USB设备可能在连接上USB接口以前可能已经带电，但它们直到连线上USB接口后才能被看作是加电状态(Powered state)。而这时候VBUS已经对设备产生作用了.
一个设备可能有既支持自给电源的，同时也支持总线电源式的配置。有一些支持其中的一种，而另一些设备配置可能只有在自给电源下才能被使用。设备对电源支持的能力是通过配置描述表(configuration descriptor)来反映的。当前的电源供给形式被作为设备状态的一部分被反映出来。设备可在任何时候改变它们的供电来源，比如说：从自给式向总线式改变，如果一个配置同时支持两种模式，那此状态的最大电源需求就是指设备在两种模式下从VBUS上获取电能的最大值。设备必须以此最大电源作为参照，而究竟处于何状态是不考虑的。如果有一配置仅支持一种电源模式，那么电源模式的改变会使得设备失去当前配置与地址，返回加电状态。如果一个设备是自给电源式，并且当前配置需要大于100mA电流，那么如果此设备转到了总线电源式，它必须返回地址状态(Address state)。自给电源式集线器使用VBUS来为集线控制器(Hub controller)提供电源，因而可以仍然保持配置状态(Configured state)，尽管自给电源停止提供电源。
1.3 默认状态(Default)
设备上电后,它不响应任何总线处理,直到总线接收到复位信号为止.接收到复位信号后,用默认的地址可以对设备寻址.
当用复位过程完成后,USB设备在正确的速度下操作(即低速/全速/高速).低速和全速的数据选择由设备的终端电阻决定.能进行高速操作的设备决定它是否在复位的过程的一部分执行高速操作.
能进行高速操作的设备在全速的电气环境中操作时,必须能以全速成功复位.设备成功复位后,设备必须成功响应设备和配置描述符请求,并且返回适当的信息.当在全速下工作时,设备可能或者不能支持预定义的功能.
1.4 地址(Address)
所有的USB设备在加电复位以后都使用缺省地址。每一设备在连接或复位后由主机分配一个唯一的地址。当USB设备处于挂起状态时，它保持这个地址不变。
USB设备只对缺省通道(Pipe)请求发生响应，而不管设备是否已经被分配地址或在使用缺省地址。
1.5 配置状态( Configured )
在USB设备正常工作以前，设备必须被正确配置。从设备的角度来看，配置包括一个将非零值写入设备配置寄存器的操作。配置一个设备或改变一个可变的设备设置会使得与这个相关接口的终端结点的所有的状态与配置值被设成缺省值。这包括将正在使用(date toggle)的结点(end point)的 (Date toggle)被设置成DATA0。
1.6 挂起状态
为节省电源，USB设备在探测不到总线传输时自动进入中止状态。当中止时，USB设备保持本身的内部状态，包括它的地址及配置。
所有的设备在一段特定的时间内探测不到总线活动时必须进入中止态。不管设备是被分配了非缺省的地址或者是被配置了，已经连接的设备必须在任何加电的时刻随时准备中止。总线活动的中止可能是因为主机本身进入了中止状态。另外，USB设备必须在所连接的集线器端口失效时进入中止态。这就是所指的选择性中止(Selective suspend)。
USB设备在总线活动来到时结束中止态。USB设备也可以远程唤醒的电流信号来请求主机退出中止态或选择性中止态。具体设备具有的远程唤醒的能力是可选的，也就是说，如果一个设备有远程唤醒的能力，此设备必须能让主机控制此能力的有效与否。当设备复位时，远程唤醒能力必须被禁止。
1.7 总结
- 接入态（Attached）：设备接入主机后，主机通过检测信号线上的电平变化来发现设备的接入；
- 供电态（Powered）：就是给设备供电，分为设备接入时的默认供电值，配置阶段后的供电值（按数据中要求的最大值，可通过编程设置）
- 缺省态（Default）：USB在被配置之前，通过缺省地址0与主机进行通信；
- 地址态（Address）：经过了配置，USB设备被复位后，就可以按主机分配给它的唯一地址来与主机通信，这种状态就是地址态；
- 配置态（Configured）：通过各种标准的USB请求命令来获取设备的各种信息，并对设备的某此信息进行改变或设置。
- 挂起态（Suspended）：USB总线处于空闲状态的话，该设备就要自动进入挂起状态，在进入挂起状态后，总的电流功耗不超过280UA。
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连接 |
加电 |
缺省 |
编址 |
配置 |
挂起 |
说 明 |
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不 |
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设备尚未连接至接口.其他特性无关 |
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是 |
不 |
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设备已连接至接口,但未加电. 其他特性无关. |
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是 |
是 |
不 |
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设备已连接至接口,并且已加电.但尚未被复位. |
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是 |
是 |
是 |
不
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设备已连接至接口,已加电. 并被复位. 但尚未分配地址.设备在缺省地址处可寻址. |
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是 |
是 |
是 |
是 |
不
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设备已连接至接口,已加电. 并被复位.且分配了唯一地址. 尚未被配置. |
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是 |
是 |
是 |
是 |
是 |
不
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设备已连接至接口,已加电. 并被复位.且分配了唯一地址,并被配置. 设备功能可被使用. |
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是 |
是 |
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是 |
设备在至少3毫秒以内探测不到总线活动,自动进如挂起. 设备功能不可用. |
2 USB的枚举
2.1 枚举是什么
USB主机在检测到USB设备插入后，就要对设备进行枚举了。为什么要枚举呢？枚举就是USB的Host和Device之间的对话，即Host根据Device所报告上来的参数，获得一些信息，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。
已经知道USB设备驱动向USB控制器驱动请求的每次传输被称为一个事务（Transaction），事务有四种类型，分别是Bulk Transaction、Control Transaction、Interrupt Transaction和Isochronous Transaction。每次事务都会分解成若干个数据包在USB总线上传输。每次传输必须历经两个或三个部分，第一部分是USB控制器向USB设备发出命令，第二部分是USB控制器和USB设备之间传递读写请求，其方向主要看第一部分的命令是读还是写，第二部分有时候可以没有。第三部分是握手信号。
Control Transaction这种传输在USB中是非常重要的，它要保证数据的正确性，在设备的枚举过程中都是使用控制传输。控制传输分为三个过程：①建立过程。②可选的数据过程。③状态过程。
建立（Setup）过程都是由USB主机发起，它开始于一个Setup令牌包，后面紧跟一个DATA0包。如果是控制输入传输，那么数据过程就是输入数据；如果是控制输出传输，那么数据过程是输出数据。如果在设置过程中，指定了数据长度为0，则没有数据过程。数据过程之后是状态过程。状态过程刚好与数据过程的数据传输方向相反：如果是控制输入传输，则状态过程是一个输出数据包；如果是控制输出传输，则状态过程是一个输入数据包。状态阶段用来确认所有的数据都已经正确传输。
2.2 枚举过程
2.0协议：
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检测电压变化，报告主机
首先，USB设备上电后，一直监测USB设备接口电平变化HUB检测到有电压变化，将利用自己的中断端点将信息反馈给主控制器有设备连接。
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Host了解连接的设备
每个hub利用它自己的中断端点向主机报告它的各个端口的状态（对于这个过程，设备是看不到的，也不必关心），报告的内容只是hub端口的设备连接／断开的事件。如果有连接／断开事件发生，那么host会发送一个 Get_Port_Status请求(request)给hub以了解此次状态改变的确切含义。Get_Port_Status等请求属于所有hub都要求支持的hub类标准请求（standard hub-class requests）。
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Hub检测所插入的设备是高速还是低速设备
hub通过检测USB总线空闲(Idle)时差分线的高低电压来判断所连接设备的速度类型，当host发来Get_Port_Status请求时，hub就可以将此设备的速度类型信息回复给host。USB 2.0规范要求速度检测要先于复位（Reset）操作。
主机一旦得知新设备已连上以后，它至少等待100ms以使得插入操作的完成以及设备电源稳定工作。然后主机控制器就向hub发出一个 Set_Port_Feature请求让hub复位其管理的端口(刚才设备插上的端口)。hub通过驱动数据线到复位状态(D+和D-全为低电平 )，并持续至少10ms。当然，hub不会把这样的复位信号发送给其他已有设备连接的端口，所以其他连在该hub上的设备自然看不到复位信号，不受影响。
因为根据USB 2.0协议，高速（High Speed）设备在初始时是默认全速（Full Speed ）状态运行，所以对于一个支持USB 2.0的高速hub，当它发现它的端口连接的是一个全速设备时，会进行高速检测，看看目前这个设备是否还支持高速传输，如果是，那就切到高速信号模式，否则就一直在全速状态下工作。
同样的，从设备的角度来看，如果是一个高速设备，在刚连接bub或上电时只能用全速信号模式运行（根据USB 2.0协议，高速设备必须向下兼容USB 1.1的全速模式）。随后hub会进行高速检测，之后这个设备才会切换到高速模式下工作。假如所连接的hub不支持USB 2.0，即不是高速hub，不能进行高速检测，设备将一直以全速工作。
主机不停地向hub发送Get_Port_Status请求，以查询设备是否复位成功。Hub返回的报告信息中有专门的一位用来标志设备的复位状态。
当hub撤销了复位信号，设备就处于默认／空闲状态（Default state），准备接收主机发来的请求。设备和主机之间的通信通过控制传输，默认地址0，端点号0进行。此时，设备能从总线上得到的最大电流是100mA。(所有的USB设备在总线复位后其地址都为0，这样主机就可以跟那些刚刚插入的设备通过地址0通信。)
默认管道（Default Pipe）在设备一端来看就是端点0。主机此时发送的请求是默认地址0，端点0，虽然所有未分配地址的设备都是通过地址0来获取主机发来的请求，但由于枚举过程不是多个设备并行处理，而是一次枚举一个设备的方式进行，所以不会发生多个设备同时响应主机发来的请求。
设备描述符的第8字节代表设备端点0的最大包大小。虽然说设备所返回的设备描述符（Device Descriptor）长度只有18字节，但系统也不在乎，此时，描述符的长度信息对它来说是最重要的，其他的瞄一眼就过了。当完成第一次的控制传输后，也就是完成控制传输的状态阶段，系统会要求hub对设备进行再一次的复位操作（USB规范里面可没这要求）。再次复位的目的是使设备进入一个确定的状态。
主机控制器通过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。
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。
接着说到描述符。总的来讲描述符就是USB设备之间通信的规范。当一个新的USB设备接入时，他的默认地址为0，此时主设备通过描述符识别从设备，并与其通信，来获得更多关于从设备的信息。并为从设备在1到127找到一个没有分配的地址。并将该地址赋给这个从设备，这样，这个从设备就可以使用新获得的地址和主设备通信了。
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GET_INTERFACE(取获取接口)
这个请求向指定接口返回选中的备用设备。
一些USB设备有接口设置互斥的配置。这个请求允许主机确定当前选定的备用设置。如果wValue或者wLength的值与上面指定的不一致，那么设备的行为没有定义；如果指定的接口不存在，那么设备将用请求错误响应。
•默认状态：当设备处于默认状态时接收到这个请求，设备的行为没 有定义
•地址状态：设备给出请求错误
•配置状态：当设备处于配置状态时，这是一个有效的请求