=============  本系列参考  =============

《圈圈教你玩USB》、《Linux那些事儿之我是USB》

协议文档：https://www.usb.org/document-library/usb-20-specification  usb_20_20190524/usb_20.pdf

调试工具：Beagle USB 480 逻辑分析仪、sys/kernel/debug/usb/usbmon/

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前言

　　USB设备插入端口到底发生了什么？ 总线上的波形发生了什么变化？  这一节我们从设备插入前、插入中、插入后三个阶段分析

一、设备插入前

　　首先要知道设备插入的端口是hub的端口（port）， 外设不直接与Host相连， 而是通过hub这个“代理商”， 所以一个Host必然有一个hub， 这个最基本的hub我们称之root hub，基本上Host和root hub是捆绑一起，

一个hub可以引出多个端口（port）， 目前Linux定义hub最多有31个port， 如果你连接超过这个数量可以改下面的定义

linux-4.1./include/uapi/linux/usb/ch11.h

/* This is arbitrary.

 * From USB 2.0 spec Table 11-13, offset 7, a hub can

 * have up to 255 ports. The most yet reported is 10.

 *

 * Current Wireless USB host hardware (Intel i1480 for example) allows

 * up to 22 devices to connect. Upcoming hardware might raise that

 * limit. Because the arrays need to add a bit for hub status data, we

 * use 31, so plus one evens out to four bytes.

 */

#define USB_MAXCHILDREN        31

　

　已我的电脑为例， 只有一个Host主控器和一个root hub， 所有外设的端口都是一个root hub出来的， 如果你的PC机有多个Host/root hub， 可以让设备分散到各个Host避免电流限制

　　

　　有个概念非常重要， 就是hub也是一个设备， 跟普通的U盘、鼠标、键盘一样， 在Linux中都用struct usb_device 表示， 只是实现的功能侧重点不一样（比如复位功能只有hub有， 用于复位普通外设）

　　设想一下， 当USB设备插入电脑USB端口时， 电脑提示有设备插入， 接着提示安装成功或者失败，  Host怎么知道外设插入这一事件呢？ 既然Host不跟外设直连那肯定跟hub有关， 另外， 如果插入端口信号可以传给Host，

可如果Host还连接着其他外设， 必然导致信号串扰， 因为信号可以在Host和所有外设传达， 比如我正在拷贝U盘数据， 此时插入键盘， 并不会干扰我拷贝， 所以可以推测插入键盘这事件（D+/D-状态改变）并没有传到总线上。

总总现象表明， 这个插入的事件只有被插的那个hub知道， 同时hub的port默认是disable的， 信号不会连接到Host总线上！

　　hub既然知道这一事件， 它可以告知Host， 或者是Host来询问， 很显然是后者， 因为外设没有权利主动勾搭Host， 所有的通信过程都是Host主动发起的， 设备被动接收！（唯一例外就是设备远程唤醒Host），   所以我们可以反推，

hub不仅是个外设， 同时采用中断传输， 端点描述符里的bIterval间隔时间值告知Host希望多久访问一次， 协议文档11章有定义hub规范， 代码只要每次读取hub的状态寄存器值， 判断是否有外设插入就行了。

　　下面是用usbmon工具调试USB Host跟hub通信的log：

 # cat sys/kernel/debug/usb/usbmon/1u

0s  0u  1s  1t  1u

ce382380  C Ii::: :  =

ce382380  S Ii::: -:  <

ce399800  S Ci::: s a3 00 0000 0001 0004  <-----------------------@1
　　　　　　　　　　　　　　　|  |  | |__setup令牌包 后面就是请求数据（不会列出PID/CRC5域）　
　　　　　　　　　　　　　　　|  |  |__端点地址， 控制传输使用端点0
　　　　　　　　　　　　　　　|　|__设备地址， root hub是第一个设备， 所以是地址1， 0地址表示刚插入设备
　　　　　　　　　　　　　　　|__主控器/总线

ce399800  C Ci:::   =

ce399800  S Co::: s      0 <-------------------@2

ce399800  C Co:::

ce399800  S Ci::: s a3      <-------------------@3

ce399800  C Ci:::   =

ce399e80  S Ci::: s a3      <-------------------@4

ce399e80  C Ci:::   =

ce399800  S Ci::: s a3      <-------------------@5

ce399800  C Ci:::   =

ce399e80  S Ci::: s a3      <-------------------@6

ce399e80  C Ci:::   = 

ce399e80  S Ci::: s a3      <-------------------@7

ce399e80  C Ci:::   =

ce399e80  S Co::: s          复位

ce399e80  C Co:::  

ce399e80  S Ci::: s a3      <------------------@8

ce399e80  C Ci:::   =

ce399800  S Co::: s

ce399800  C Co:::

ce399800  S Ci::: s       <    获取设备描述符

ce399800  C Ci:::   =   0c090010

ce399800  S Co::: s           再次复位

后面是跟外设U盘打交道的log， 放在下一节讲

　　@1的a3(1010 0011)：表示设备到主机， 是class且other， 说明不是标准的请求（请求有上面4中）， 获取的是GET_STATUS DEVICE， 说明这是读取地址为1端点为0的root hub设备的状态， 也可以参考Linux代码：

port_event()

    -> hub_port_status(hub, port1, &portstatus, &portchange)

        -> get_port_status():

            /* #define    USB_STS_TIMEOUT        1000

             * #define    USB_STS_RETRIES        5

             * #define 　 USB_REQ_GET_STATUS        0x00

             * #define 　 USB_DIR_IN            0x80 /* to host */

             * #define USB_RT_PORT    (USB_TYPE_CLASS | USB_RECIP_OTHER)

             * #define USB_TYPE_CLASS            (0x01 << 5)

             * #define USB_RECIP_OTHER            0x03

             */

            static int get_port_status(struct usb_device *hdev, int port1, struct usb_port_status *data)

            {

                int i, status = -ETIMEDOUT;

                for (i = ; i < USB_STS_RETRIES && (status == -ETIMEDOUT || status == -EPIPE); i++) {

                    status = usb_control_msg(hdev, usb_rcvctrlpipe(hdev, ),

                        USB_REQ_GET_STATUS, USB_DIR_IN | USB_RT_PORT, , port1,

                        data, sizeof(*data), USB_STS_TIMEOUT);

                }

                return status;

            }

struct usb_port_status {

    __le16 wPortStatus;

    __le16 wPortChange;

} __attribute__ ((packed));

最后 portstatus =   portchange = ;

/*

 * wPortStatus bit field

 * See USB 2.0 spec Table 11-21

 */

#define USB_PORT_STAT_CONNECTION    0x0001

#define USB_PORT_STAT_ENABLE        0x0002

#define USB_PORT_STAT_SUSPEND        0x0004

#define USB_PORT_STAT_OVERCURRENT    0x0008

#define USB_PORT_STAT_RESET        0x0010

#define USB_PORT_STAT_L1        0x0020

/* bits 6 to 7 are reserved */

#define USB_PORT_STAT_POWER        0x0100

#define USB_PORT_STAT_LOW_SPEED        0x0200

#define USB_PORT_STAT_HIGH_SPEED        0x0400

#define USB_PORT_STAT_TEST              0x0800

#define USB_PORT_STAT_INDICATOR         0x1000

/* bits 13 to 15 are reserved */

#define USB_PORT_STAT_C_CONNECTION    0x0001

#define USB_PORT_STAT_C_ENABLE        0x0002

#define USB_PORT_STAT_C_SUSPEND        0x0004

#define USB_PORT_STAT_C_OVERCURRENT    0x0008

#define USB_PORT_STAT_C_RESET        0x0010

#define USB_PORT_STAT_C_L1        0x0020

　　从返回的四个字节01010100可以看出port状态已经连接了， 但是还是suspend状态， 我们接着看@2的(23 01 0010 0001 0000)  这是个清除hub寄存器操作，

@3~@7五次都是(a3 00 0000 0001 0004) =读取状态0101 0000刚好是代码定义try的次数 #define USB_STS_RETRIES 5 ， 既然没有新的状态， 所以Host发送了第一次的复位操作reset

port_event()

    -> hub_port_status(hub, port1, &portstatus, &portchange)

        .....................

    -> hub_port_warm_reset_required(hub, port1, portstatus)

        -> hub_port_reset()

            -> set_port_feature(hub->hdev, port1, (warm ? USB_PORT_FEAT_BH_PORT_RESET : USB_PORT_FEAT_RESET));

            -> hub_port_wait_reset()

                -> hub_port_status()
　　-> hub_port_connect_change(hub, port1, portstatus, portchange);
　　　　-> hub_port_connect()
　　　　　　-> usb_alloc_dev()　//创建设备
　　　　　　-> hub_port_init()　//获取设备描述符的等各种描述符（注意接口描述符/端点描述符不能单独获取必须跟随配置描述符一块获取，所以第一次先获取9字节的配置描述符， 解析后续还有多少再次获取）
　　　　　　-> usb_new_device() //注册， 然后会跟usb_generic_driver 进行match 然后再创建真正的执行单元  interface！ 后续博文会讲解

　　总之， 设备的插入事件是又hub检测到的， Host通过中断控制传输定期获取各个hub的状态， 当检测到有设备connect， 则调用hub_port_connect_change()  创建设备、填充各种描述符、注册设备，

在注册之前hub会设置这个usb_device里的parent指针为本hub， port为插入的port号， 并且分配唯一地址给外设， 更多具体的我们在后面分析hub时再讲解。

　　还有个遗漏的细节， 就是Host通过hub获得事件， 那为什么设备插入hub， hub就知道呢？ 其实就是改变D+/D-的状态， 我们放到设备插入中解释。

二、设备插入中

　　hub的port口D+/D-在默认状态下下拉15kΩ的电阻， 悬空状态电平都为0。 而USB设备在D+或D-上拉一个1.5kΩ的电阻到VBUS， 这也是为何USB接口四根线VBUS和GND比D+/D-长的原因，

如果是FS设备， 上拉电阻接到D+， 插入port分压后D+为高电平， hub认为是FS设备； 如果是LS， 上拉电阻接到D-， 插入port分压后D-为高电平， hub认为是LS设备， 那怎么区分HS设备呢？

目前的做法是HS也是将1.5k的上拉电阻接在D+处， 所以前期HS/FS的表现是一样的， hub不区分是FS还是HS， 都先当做FS设备， 在后面一点， Host会对设备复位， 也即D+/D- 都为0且持续10ms以上，

而这个期间， 如果是高速设备， 会在D-灌入17.78mA电流（设备D+上的1.5k电阻还未撤销）， 在hub端会形成45欧姆的等效终端电阻， 导致D-变成电平17.78*45=800mv电平， 且持续1~7ms，

如果hub是支持高速的话， 在复位期间就会自动检测D-有没有这800mv电平， 如果没有则说明外设不是高速的， 如果有持续的800mv的话， 等外设停止驱动D-的17.78mA的100us内， hub也使用自己的电流源

交叉驱动D+/D-形成KJKJKJ...波形，同时将自己内部电路切换到高速模式（hub硬件无法同时支持高速和全速/低速， 靠一个开关切换到哪一路），  设备停止驱动D-后会检测是否有KJ信号， 如果有说明hub是支持

高速的然后自己也切换到高速模式， 切换的具体表现有：断掉1.5K的上拉电阻； 连接新的等效终端电阻；硬件切换到高速模式。 由于新的等效终端电阻是原来的一半22.5欧姆， 所以hub发出的KJKJKJ...波形的

电平变成从原来的800mv变成400mv了， 至此高速握手协商结束。总之在握手协商期间任何一方没有给出该有的响应（设备持续灌电流到D- 800mv、hub交叉灌D+/D-）， 则使用默认的全速。

　　当然我们这有个前提就是Host也是支持高速的， 否则Host在与hub握手时就会禁止hub的高速能力， 后面自然不会响应高速外设的800mv（即不会发送KJKJKJ...）， 其波形如下：

　　　　

　　　　

三、设备插入后

　　插入后做如下：

　　a. 获取各种描述符（设备描述符、配置描述符、字符串描述符）， 丰富struct usb_device结构体的骨骼

　　b.  与usb_generic_driver match后设置合适的配置描述符， 并创建 具体的设备（操作对象） struct usb_interface

　　c. struct usb_interface 与 struct usb_driver match后进行具体驱动后续的初始化和目的操作

　　更详细的流程将在后续博文介绍.....

附完整log：

 # cat sys/kernel/debug/usb/usbmon/1u

0s  0u  1s  1t  1u

ce382380  C Ii::: :  =

ce382380  S Ii::: -:  <

ce399800  S Ci::: s a3      <

ce399800  C Ci:::   =

ce399800  S Co::: s

ce399800  C Co:::

ce399800  S Ci::: s a3      <

ce399800  C Ci:::   =

ce399e80  S Ci::: s a3      <

ce399e80  C Ci:::   =

ce399800  S Ci::: s a3      <

ce399800  C Ci:::   =

ce399e80  S Ci::: s a3      <

ce399e80  C Ci:::   = 

ce399e80  S Ci::: s a3      <

ce399e80  C Ci:::   =

ce399e80  S Co::: s          复位

ce399e80  C Co:::  

ce399e80  S Ci::: s a3      <

ce399e80  C Ci:::   =

ce399800  S Co::: s

ce399800  C Co:::

ce399800  S Ci::: s       <    获取设备描述符

ce399800  C Ci:::   =   0c090010

ce399800  S Co::: s           再次复位

ce399800  C Co:::

ce382380  C Ii::: :  =

ce382380  S Ii::: -:  <

ce399e80  S Ci::: s a3      <

ce399e80  C Ci:::   =

ce399800  S Co::: s

ce399800  C Co:::

ce399800  S Co::: s          设置地址

ce399800  C Co:::

ce399e80  S Ci::: s       <

ce399e80  C Ci:::   =   0c090010

ce399e80  S Ci::: s   0f00    <

ce399e80  C Ci:::   = 050f1600

ce399e80  S Ci::: s   0f00    <

ce399e80  C Ci:::   = 050f1600   0a100300 0c000204

ce399e80  S Ci::: s       <

ce399e80  C Ci:::   =

ce399e80  S Ci::: s       <

ce399e80  C Ci:::   =

ce399800  S Ci::: s     00ff  <

ce399800  C Ci:::   =

ce399800  S Ci::: s     00ff  <

ce399800  C Ci:::   =  6c006100

ce399800  S Ci::: s     00ff  <

ce399800  C Ci:::   =  61006d00  6e006700

ce399800  S Ci::: s     00ff  <

ce399800  C Ci:::   =

ce399e00  S Co::: s

ce399e00  C Co:::

ce399400  S Ci::: s a3      <

ce399400  C Ci:::   =

ce399400  S Co::: s

ce399400  C Co:::  

ce399600  S Ci::: s a1 fe     <

ce399600  C Ci:::   =

ce399600  S Bo::: -  =

ce399600  C Bo:::   >

ce399200  S Bi::: -  <

ce399200  C Bi:::   =  1f736d69 53616d73 756e6720 466c6173

ce399600  S Bi::: -  <

ce399600  C Bi:::   =

ce399600  S Bo::: -  =

ce399600  C Bo:::   >

ce399600  S Bi::: -  <

ce399600  C Bi:::   =

ce399600  S Bo::: -  =    80000a25

ce399600  C Bo:::   >

ce39e080  S Bi::: -  <

ce39e080  C Bi:::   = 03bc3fff

ce399600  S Bi::: -  <

ce399600  C Bi:::   =

ce399600  S Bo::: -  =   c0000000 8000061a 003f00c0

ce399600  C Bo:::   >

ce39e900  S Bi::: -  <

ce39e900  C Bi::: -  =  051e0000 103f0200 3fff0000

ce399600  S Bi::: -  <

ce399600  C Bi:::   =

ce399600  S Bo::: -  =   c0000000 8000061a 003f00c0

ce399600  C Bo:::   >

ce39e900  S Bi::: -  <

ce39e900  C Bi::: -  =  051e0000 103f0200 3fff0000

ce399600  S Bi::: -  <

ce399600  C Bi:::   =

ce399600  S Bo::: -  =

ce399600  C Bo:::   >

ce399600  S Bi::: -  <

ce399600  C Bi:::   =

ce399600  S Bo::: -  =    0000061e

ce399600  C Bo:::   >

ce399600  S Bi::: -  <

ce399600  C Bi:::   =

ce399600  S Bo::: -  =

ce399600  C Bo:::   >

ce39e900  S Bi::: -  <

ce39e900  C Bi:::   =  0000000a

ce399600  S Bi::: -  <

ce399600  C Bi:::   =

ce399600  S Bo::: -  =

ce399600  C Bo:::   >

ce399600  S Bi::: -  <

ce399600  C Bi:::   =

ce399600  S Bo::: -  =  0a000000  80000a25

ce399600  C Bo:::   >

ce39e900  S Bi::: -  <

ce39e900  C Bi:::   = 03bc3fff

ce399600  S Bi::: -  <

ce399600  C Bi:::   =  0a000000

ce399600  S Bo::: -  =  0b000000 c0000000 8000061a 003f00c0

ce399600  C Bo:::   >

ce39e900  S Bi::: -  <

ce39e900  C Bi::: -  =  051e0000 103f0200 3fff0000

ce399600  S Bi::: -  <

ce399600  C Bi:::   =  0b000000

ce399600  S Bo::: -  =  0c000000 c0000000 8000061a 003f00c0

ce399600  C Bo:::   >

ce39e900  S Bi::: -  <

ce39e900  C Bi::: -  =  051e0000 103f0200 3fff0000

ce399600  S Bi::: -  <

ce399600  C Bi:::   =  0c000000

ce399600  S Bo::: -  =  0d000000  80000a28

ce399600  C Bo:::   >

ce39e900  S Bi::: -  <

ce39e900  C Bi:::   = eb5e0000      3f00ff00

ce399600  S Bi::: -  <

ce399600  C Bi:::   =  0d000000

ce399600  S Bo::: -  =  0e000000

ce399600  C Bo:::   >

ce399600  S Bi::: -  <

ce399600  C Bi:::   =  0e000000

ce399600  S Bo::: -  =  0f000000

ce399600  C Bo:::   >

ce399600  S Bi::: -  <

ce399600  C Bi:::   =  0f000000

ce399600  S Bo::: -  =    80000a25

ce399600  C Bo:::   >

ce392c80  S Bi::: -  <

ce392c80  C Bi:::   = 03bc3fff

ce399600  S Bi::: -  <

ce399600  C Bi:::   =

ce399600  S Bo::: -  =   c0000000 8000061a 003f00c0

ce399600  C Bo:::   >

ce392c80  S Bi::: -  <

ce392c80  C Bi::: -  =  051e0000 103f0200 3fff0000

ce399600  S Bi::: -  <

ce399600  C Bi:::   =

ce399600  S Bo::: -  =   c0000000 8000061a 003f00c0

ce399600  C Bo:::   >

ce392c80  S Bi::: -  <

ce392c80  C Bi::: -  =  051e0000 103f0200 3fff0000

ce399600  S Bi::: -  <

ce399600  C Bi:::   =    

拔掉U盘......

ce382380  C Ii::: :  =

ce382380  S Ii::: -:  <

ce392e00  S Ci::: s a3      <

ce392e00  C Ci:::   =

ce392e00  S Co::: s

ce392e00  C Co:::

ce392e00  S Co::: s

ce392e00  C Co:::

ce392e00  S Ci::: s a3      <

ce392e00  C Ci:::   =

ce392b00  S Ci::: s a3      <

ce392b00  C Ci:::   =

ce392b00  S Ci::: s a3      <

ce392b00  C Ci:::   =

ce392b00  S Ci::: s a3      <

ce392b00  C Ci:::   = 

ce392b00  S Ci::: s a3      <

ce392b00  C Ci:::   =

ce392b00  S Co::: s

ce392b00  C Co:::

ce382380  C Ii::: -:

ce392b00  S Ci::: s a3      <

ce392b00  C Ci:::   =

ce382380  S Ii::: -:  <

ce382380  C Ii::: -:

ce392b00  S Ci::: s a3      <

ce392b00  C Ci:::   =

ce382380  S Ii::: -:  <

ce382380  C Ii::: -:

ce392b00  S Ci::: s a3      <

ce392b00  C Ci:::   =

ce382380  S Ii::: -:  <

ce382380  C Ii::: -:

ce392b00  S Ci::: s a3      <

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