透彻理解USB总线应用之枚举

Hello，大家好，今天我们来讨论一下USB总线中的枚举（Enumeration），首先简单介绍一下USB系统的基本架构，它由USB主机、USB设备与USB电缆（本文忽略它）组成，如下图所示：

                     

 

     

最常见的主机就是电脑了，现在很多有USBOTG（On-The-Go）功能的手机也可以做主机，无需过多赘述。USB设备实在太多了，例如，手机、MP4、U盘、移动硬盘、打印机、扫描仪等等，当然，作为工程师的你还可能会购买其它一些使用USB接口的仪器，例如逻辑分析仪，示波器等等。无论USB设备的具体形式是怎么样的，按照功能都可以分为两大类，其中之一就是USB功能设备。刚刚提到的USB设备都属于这类，它们都各自提供了一些特定的功能，例如，U盘就是存储数据，示波器就是采集数据。

另外一类USB设备就是USB集线器（USB Hub），它的功能与网络集线器相同，把一个USB接口扩展多个USB接口。例如，学校一个寝室有很多人，每个人都有一台电脑，但网线只有一根，怎么办？用网络集线器就可以解决这个问题，如下图所示

 

  我们只需要特别留意：USB系统的数据或指令传输都是由主机启动的，USB设备只是根据主机的要求进行被动响应。在任意时刻，USB系统仅允许存在一个USB主机。

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好的，现在有一个问题得先弄明白：为什么在电脑同一个USB接口依次插入鼠标、键盘或其它USB设备，电脑都能够正确地识别它的功能呢？这就是枚举的功劳。为了形象地理解枚举，我们来看一个面试对话场景：

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面试官：我看你的简历上说对三极管有比较深入的了解，那么请形象地讲讲三极管的放大原理。

你：好的，你可以把三极管的三个区比作三个国家，然后…..

面试官：这个故事是你自己总结的吗？

你：不瞒你说，是通过微信公众号《电子制作站》学来的。

面试官莞尔一笑：是嘛 ，难怪我怎么觉得这么熟悉，那另外一篇关于上下拉电阻的文章你看过没有？

你：必须的呀！

面试官：那你说说拉电流与灌电流的区别？

你：拉与灌只是电流方向不同而已，具体到电路结构，就是…..

…..

面试官：好的，我觉得你的水平确实不错，至少基础非常扎实，不愧是关注《电子制作站》微信公众号的老粉，值得信赖….

….

然后你就顺利进入了该公司，拿到了一个代表你是公司员工的工牌….

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在以上面试过程中，面试官首先提出一个问题，根据面试者的反馈后再跳到另一个知识点，依此循环，继而完成全面考察面试者业务水平的目的，最后才决定是否符合公司的录用标准，这其实就是一个枚举的过程。在面试的场景中，你就是USB设备，面试官就是USB主机，所以简单的说，枚举就是“识别”的同义词。

同样的道理，当USB鼠标插入到电脑时，电脑也需要询问关于它的一些信息，以确定它到底是个什么东东。电脑当然是不能说话的，它只是会发送一些命令，USB设备必须对这些命令进行响应，不然枚举就会失败（问你话咋一声不吭呢？面试失败！）。当然，USB设备必须进行正确响应，乱来也会导致枚举失败（回答问题怎么牛头不对马嘴呢？面试失败！）。当然，即便枚举成功了，也不一定代表USB设备能用，枚举成功只是万里长征的第一些。（你小子面试时能说会道，做起实事来却完全不顶用，明天卷铺盖滚蛋吧，赶紧从我眼前消失！失败中的失败！！）

概括来讲，如果我们开发自己的USB设备，关键的两个步骤是必须进行的。

 

其一：让USB设备按照USB协议正确回应主机的命令，以成功完成枚举。

其二：在枚举成功后，把数据按正确的格式进行传输。

 

有些人想：虾米？还要响应命令呐，粗看了一下，貌似很复杂，玩不了，回家洗洗睡了！哈哈，必须得打击你一下，USB底层的实现确实有点复杂，但幸运的是，通常厂商都会把底层核心的东西做好了打包成库，我们只要修改一些应用方面的数据即可。也就是说，如果你只是使用USB总线传输数据，底层的东西你没机会（也不需要）去修改。

 

那到底需要修改什么才能成功完成枚举呢？其实道理跟我们工程师做项目一样！例如使用单片机控制新的器件时，第一步需要做的就是了解新器件的基本原理，包括通讯时序、寄存器的定义、硬件电路的连接要求等等。器件厂家为了方便用户使用，通常都会准备好相应的数据手册（datasheet），它包含了用户应用该器件的所有信息。

同样的道理，如果把你当成一台电脑，当USB鼠标插入USB接口时，你又是怎么知道它是鼠标，而不是键盘或其它设备呢？很明显，你（电脑）也需要数据手册之类能够描述插入设备所有信息的媒介，对不对？USB协议中定义的描述符（descriptor）就是这个目的。

描述符在C语言实现层面通常就是结构体（Structure），应用上就是多个有一定关联的信息的集合体。例如，我要定义一个员工的描述符，它应该包含姓名、性别、年龄、工号等等信息，如下所示：

也就是说，USB描述符就是用来描述相应的USB设备具体是什么，有什么特点，能做什么（是不是真的能做就不知道了），所以在源代码编程自定义USB设备时，我们最先开始的工作就是：找到厂商提供的固件（firmware）或示例程序中描述符对应的位置，再根据USB协议的规定进行合适的修改。如果修改正常，厂商提供的固件会自动根据主机发送的命令提交你修改描述符信息，这样主机才能正确识别（会提示你插入了新设备，可以正常使用了），至于它具体能不能起到什么功能，就是枚举成功之后再去讨论的事了，先通过面试这一关才能发挥咱们的才干呐！

USB协议定义了很多描述符，结构也远比前面的员工信息要复杂的多，我们将在下一篇文章中继续讨论，么么哒～～