(请保留-> 作者: 罗冰 https://blog.csdn.net/luobing4365)

YIE002USB开发板之制作HID设备-USB标准描述符

1 USB描述符概述
2 USB标准描述符
- 2.1 设备描述符
- 2.2 配置描述符
- 2.3 接口描述符
- 2.4 端点描述符
- 2.5 字符串描述符

从软件的角度，制作USB HID设备，需要理解的知识包括几大块：
1） USB协议的基本架构和软件架构；
2） USB描述符，包括标准描述符和类描述符；
3） USB命令，包括标准命令和类命令。

当然，如果能从字节序上（比如USB包的构成）了解USB通信的过程，对理解整个USB协议的构成也很有好处。但在编程中，不需要理解到这个地步。大部分介绍USB协议的书籍，以及USB规范中，都很详细地描述了这些过程，非常建议读一读。

在前一篇中，已经简要地概述了USB协议的基本架构和软件架构。本篇主要介绍USB描述符中的标准描述符，这是所有USB设备都要支持的描述符。

1 USB描述符概述

为了方便USB主机对USB设备进行管理，USB-IF对USB设备的功能采用了分层结构，包括设备层、配置层、接口层和端点层。图1给出了一个复合设备的例子，展示了USB设备的分层结构。

图1 USB设备的功能分层结构

这四层的作用分别为：

设备层。说明USB设备的主要类型特征（如设备类别、接口、端点等属性），保障设备枚举过程的正常进行。
配置层。选择不同的失败配置满足USB主机对设备功能的选择，可选择复式的设备接口功能，如图1展示的选择鼠标、键盘和游戏杆的复合功能。
接口层。将具体功能分类，不同的功能对用不同的操作方式。
端点层。针对特定的设备功能，选择不同的端点，提供不同的数据管道，与USB主机进行数据通讯。

为了描述USB设备的这些特征，USB规范定义了相应结构的描述符，包括设备描述符、配置描述符、接口描述符、端点描述符和字符串描述符等。表1给出了USB1.1下各种USB描述符的类型值。

表1 USB1.1的描述符类型值

类型	描述符	描述符值
标准描述符	设备描述符(Device Descriptor)	0x01
	配置描述符(Configuration Descriptor)	0x02
	字符串描述符（String Descriptor）	0x03
	接口描述符(Interface Descriptor)	0x04
	端点描述符(Endpoint Descriptor)	0x05
类描述符	集线器类描述符(hub descriptor)	0x29
	人机接口类描述符(HID)	0x21
厂商自定义		0xFF

其他版本的USB规范，还定义了其他类型的描述符，比如USB 2.0中的设备限定描述符（Device_Qualifier）、USB 3.2中的二进制设备对象存储描述符（Binary Device Object Store，简称BOS）等。这些内容在博客中不会涉及，可在USB-IF的官网下载相关的USB规范文档了解。

下面对标准描述符进行详细介绍。

2 USB标准描述符

不管哪种USB设备，都必须提供标准描述符，用于告知主机设备本身的属性。以下介绍的内容，会比较枯燥，建议使用Bus Hound或USB逻辑分析仪等工具，去抓取USB设备的识别和通信包，实际体会这些描述符的用法。

如图2，抓取的是自制的USB HID设备信息。设备描述符中，含有自定义的厂商ID和产品ID，分别为0x8765和0x4321。

图2 BUS Hound抓取USB包

USB主机会发送USB命令给USB设备，图2中的GET_DESCRIPTOR是常用的获取描述符命令。USB设备根据命令所要求的，给出对应的描述符。本篇主要讲述描述符的结构，USB命令将在后续的博客中讲述。

2.1 设备描述符

USB的设备描述符用于表示USB设备的一般信息，如制造商ID、产品序列号等。一个USB设备有且只有一个设备描述符，它是USB主机所读取的第一个描述符，其结构如表2所示。

表2 设备描述符的结构

偏移	域	大小	值	描述
0	bLength	1	数字	描述符字节数长度(0x12)
1	bDescriptor	1	常量	描述符的类型(0x01)
2	bcdUSB	2	BCD码	USB设备支持的协议版本号
4	bDeviceClass	1	类	设备类代码
5	bDeviceSubClass	1	子类	子类代码，更加bDeviceClass来定
6	bDevicePortocol	1	协议	协议码
7	bMaxPacketSize0	1	数字	端点0的最大包长度
8	idVendor	2	ID	厂商ID(由USB-IF赋值)
10	idProduct	2	ID	产品ID(由厂商赋值)
12	bcdDevice	2	BCD码	设备发行号(BCD码)
14	iManufacturer	1	索引	厂商信息的字符串描述符索引值
15	iProduct	1	索引	产品信息的字符串描述符索引值
16	iSerialNumber	1	索引	设备序列号信息的字符串描述符索引值
17	bNumConfigurations	1	数字	配置描述符数目

设备描述符结构中的bMaxPacketSize0，它用来告知USB主机设备所支持的最大数据长度。

bDeviceClass表示设备所述的类别，如果此值为0，则表示每一个配置中的每个接口来指明它所属的类别（即在接口描述符中给出设备类），并且各接口独立工作。如果此值为0xFF，则由供应商自定义该设备类。介于两者之间的值0x1~0xFE，表示USB规范中定义的某个设备类，比如0x03表示HID设备类。它和bDeviceSubClass、bDeviceProtocol共同规定了设备的类别和采用的协议，更具体的分类定义，可以参考USB-IF官网。

设备描述符中的iManufacturer、iProduct和iSerialNumber，使用字符串描述符的索引值来进行描述，索引值为0表示没有字符串描述符对其进行描述。通过此索引值和USB命令Get_Descriptor，可以得到对应的字符串描述符。

2.2 配置描述符

USB规范中，USB设备可以有一个或者多个配置描述符，每个配置描述符提供了设备特定的配置。在设备描述符中的bNumConfigurations提供了配置描述符的个数，任何时刻只有一种配置处于工作状态。

配置描述符中提供了在该配置下设备的接口数目，一个设备的不同配置描述符可能包含不同数目和特性的设备接口。图1中的设备配置1，就包含了鼠标功能接口和键盘功能接口两种接口。此外，配置描述符中还会描述设备的供电方式（自供电/总线供电）、最大耗电量等信息。其结构如表3所示。

表3 配置描述符的结构

偏移	域	大小	值	描述
0	bLength	1	数字	描述符的字节数长度(0x09)
1	bDescriptorType	1	常量	配置描述符的类型(0x02)
2	wTotalLength	2	BCD码	配置信息的总长(包括配置、接口、端点和设备类及厂商定义的描述符)
4	BnumInterfaces	1	类	该设备所支持的接口数目
5	bConfigurationValue	1	子类	配置值
6	iConfiguration	1	协议	描述该配置的字符串描述符索引值
7	bmAttributes	1	数字	配置特性：D7:保留 D6:自供电 D5:远程唤醒 D4…0:保留
8	MaxPower	1	数字	该配置下所需最大总线电流(2mA为单位)

2.3 接口描述符

USB设备的接口是端点的集合，负责完成该设备的特定功能，比如数据的输入和输出。接口描述符用来表示在USB设备中，各个接口的特性，包括接口的端点个数、所述的设备类和子类等。

拥有多个接口的USB设备，如果设备描述符中描述的bDeviceClass不为0，则表示接口之间是互斥关系，否则接口相互独立，每个接口有自己的类号、子类号和协议号。类号、子类号和协议号的定义，与设备描述符中的定义是一致的。接口描述符的结构如表4所示。

表4 接口描述符的结构

偏移	域	大小	值	描述
0	bLength	1	数字	描述符的字节数长度(0x09)
1	bDescriptorType	1	常量	接口描述符的类型(0x04)
2	bInterfaceNumber	1	数字	接口号（从0开始）
3	bAlternateSetting	1	数字	可选设置的索引值
4	bNumEndpoint	1	数字	此接口的端点数量(不计默认端点0)
5	bInterfaceClass	1	类	接口所属的类值
6	bInterfaceSubClass	1	子类	接口所属子类的值
7	bInterfaceProtocol	1	协议	协议码，根据上面的两个值而定
8	iInterface	1	索引	表示此接口的字符串描述符的索引值

2.4 端点描述符

USB规范中，端点描述符用于指出USB设备端点的特性，包括其所支持的传输类型、传输方向等。端点0没有端点描述符，其他端点必须包含端点描述符。

端点是设备与主机之间进行数据传输的逻辑接口，除配置使用的端点0为双向外，其他均为单向。端点描述符描述了数据的传输类型、传输方向、数据包大小，以及端点地址，其结构如表5所示。

表5 端点描述符的结构

偏移	域	大小	值	描述
0	bLength	1	数字	描述符的字节数长度(0x07)
1	bDescriptorType	1	常量	端点描述符的类型(0x05)
2	bEndPointAddress	1	端点	描述了端点的地址、方向 Bit3…0：端点号 Bit6…4：保留，为0 Bit7：传输方向，如果是控制端点则忽略 0：输出端点(主机到设备) 1：输入端点(设备到主机)
3	bmAttributes	1	位图	端点传输类型 Bit1…0：传送类型 00B=控制传送 01B=实时传送 10B=批量传送 11B=中断传送
4	wMaxPacketSize	2	数字	接收/发送的最大数据包长度
6	bInterval	1	数字	周期数据传输端点的时间间隙

2.5 字符串描述符

字符串描述符是可选的，它描述了制造商、设备名称或序列号等信息。它使用的是Unicode编码，并支持多语言。USB主机要求获得字符串描述符时，需要用一个16位的语言标识出语言类别。比如，常用的语言标识1033表示美国英语，而2052表示中文。其他的语言标识，可以在微软的网站上找到。

USB主机请求得到某个字符串描述符时分为两步，首先向USB设备发送USB命令Get_Descriptor，命令的wIndex字段设置为0，设备将返回描述语言标识的字符串描述符；然后，USB主机根据需要的语言，向USB设备发送命令Get_Descriptor，在命令对应的字段中设置字符串的索引值和语言标识，得到需要的字符串描述符。

字符串描述符有两种格式。第一种用来指明所用的语言标识，如表6所示。

表6 指明语言标识的字符串描述符

偏移	域	大小	值	描述
0	bLength	1	N+2	描述符的字节数长度(N+2字节)
1	bDescriptorType	1	常量	字符串描述符的类型(0x03)
2	wLANGID[0]	2	数字	语言标识(LANGID)，码0
…	…	…	…	…
N	wLANGID[x]	2	数字	语言标识(LANGID)，码x

第二种为Unicode字符串描述符，包含了非NULL结尾的Unicode字符串，如表7所示。

表7 Unicode字符串描述符

偏移	域	大小	值	描述
0	bLength	1	N+2	描述符的字节数长度(N+2字节)
1	bDescriptorType	1	常量	字符串描述符的类型(0x03)
2	bString	N	数字	Unicode编码的字符串

在实际编写代码中，接口描述符、端点描述符一般是和配置描述符在同一数组中的。后续代码编写时，我们再来看实际的情况。

本篇篇幅较长，也许是目前写的最长的博客了。主要是为了后续查询方便，将标准描述符相关的细节都包含了。

下一篇讨论USB的HID类描述符。

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