嵌入式软件工程师-硬件接口与通信协议-USB协议_USB设备枚举与配置.docxVIP

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USB协议基础

1USB协议概述

USB(UniversalSerialBus)协议是一种用于连接和通信的标准化接口，旨在简化计算机与外部设备之间的连接。自1996年首次发布以来，USB已经经历了多个版本的迭代，包括USB1.1、USB2.0、USB3.0、USB3.1和USB3.2，以及必威体育精装版的USB4。每个版本都提高了数据传输速率，增强了电源管理能力，并引入了新的功能。

1.1特点

高速数据传输：从最初的12Mbps到USB4的40Gbps。

热插拔：设备可以在不关闭系统的情况下插入或移除。

即插即用：系统自动识别并配置设备，无需手动安装驱动。

供电能力：USB端口可以为连接的设备供电，减少了对额外电源适配器的需求。

2USB设备架构

USB设备架构主要由三部分组成：主机（Host）、设备（Device）和USB总线（Bus）。

2.1主机（Host）

主机负责管理USB总线，控制数据的传输。一个典型的主机架构包括：-主机控制器：负责与USB总线的物理层通信。-主机控制器驱动程序：提供主机控制器与操作系统之间的接口。-USB堆栈：处理USB协议，包括枚举、配置和数据传输。

2.2设备（Device）

设备是连接到USB总线的硬件，可以是键盘、鼠标、打印机、存储设备等。设备架构包括：-设备控制器：负责与USB总线的物理层通信。-设备固件：控制设备的功能和行为。-设备描述符：提供设备信息，如制造商、产品、版本等，用于主机识别和配置设备。

2.3USB总线（Bus）

USB总线是主机与设备之间的物理连接，支持数据和电源的传输。总线架构包括：-根集线器：直接连接到主机的集线器，可以扩展连接更多的设备。-集线器：用于扩展USB端口，允许连接多个设备。-电缆和连接器：用于物理连接设备和主机。

3USB信号与数据传输

USB信号传输基于差分信号，使用两根数据线（D+和D-）进行通信。数据传输包括：-同步信号：用于同步数据传输，包括位同步和帧同步。-数据包：包括令牌包、数据包和握手包，用于封装和传输数据。

3.1数据传输模式

USB支持四种数据传输模式：-控制传输：用于设备枚举和配置，以及设备状态的查询和设置。-批量传输：用于传输大量数据，如文件传输。-中断传输：用于传输小量、频繁的数据，如键盘和鼠标输入。-等时传输：用于传输实时数据，如音频和视频流。

4USB设备类与协议栈

USB设备类定义了设备的功能和行为，以及与主机通信的协议。常见的设备类包括：-HID（HumanInterfaceDevice）：用于键盘、鼠标、游戏控制器等。-MassStorage：用于存储设备，如U盘和移动硬盘。-Audio：用于音频设备，如麦克风和扬声器。-Video：用于视频设备，如摄像头。

4.1协议栈

USB协议栈是实现USB通信的软件层，包括：-设备驱动程序：为特定的设备类提供驱动，实现设备的功能。-USB堆栈：处理USB协议，包括枚举、配置和数据传输。-操作系统接口：提供应用程序与USB设备之间的接口。

4.2示例：HID设备枚举与配置

以下是一个使用Python的pyusb库枚举和配置HID设备的示例代码：

importusb.core

importusb.util

#找到HID设备

dev=usb.core.find(idVendor=0x1234,idProduct=0x5678)

ifdevisNone:

raiseValueError(Devicenotfound)

#设置设备配置

dev.set_configuration()

#获取设备描述符

cfg=dev.get_active_configuration()

intf=cfg[(0,0)]

#获取HID接口描述符

hid_intf=usb.util.find_descriptor(

intf,

custom_match=\

lambdae:\

usb.util.endpoint_direction(e.bEndpointAddress)==\

usb.util.ENDPOINT_IN)

#读取HID报告

data=dev.read(hid_intf.bEndpointAddress,hid_intf.wMaxPacketSize)

print(HIDReport:,data)

4.3解释

查找设备：使用usb.core.find函数根据设备的供应商ID（idVendor）和