USB 设备从插入到工作流程说明

整个过程可以分为四个主要阶段：物理连接与识别、枚举与配置、驱动加载、数据传输。

阶段一：物理连接与检测

1. 设备插入
   • 用户将 USB 设备插入主机的 USB 端口（根集线器或下级集线器）。
2. 电源提供与上电
   • 主机通过 VBUS 电源线为设备提供 +5V 电压。设备开始上电。
   • 根据 USB 规格，设备可以从总线获取最多 100mA（USB 2.0）或 150mA（USB 3.0）的电流，用于初始操作。
3. 设备检测
   • 主机通过持续监控 D+ 和 D- 数据线上的电压变化来检测设备。
   • 过程：设备内部在 D+（全速/高速设备）或 D-（低速设备）线上有一个约 1.5kΩ 的上拉电阻。当设备插入后，该电阻将对应的数据线电压拉高。主机检测到这一变化，从而知道有设备插入。
   • 速度识别：通过检测哪条数据线被拉高，主机可以初步判断设备的速度（低速或全速/高速）。高速设备首先以全速被识别，然后在后续握手过程中切换到高速模式。

阶段二：枚举

这是最核心的步骤。枚举是主机从设备那里获取所有必要信息（如设备类型、制造商、所需电源、通信协议等）的过程，并为其分配一个唯一的地址。

1. 复位设备
   • 主机向该端口发送一个复位信号。设备在收到复位后，进入默认状态，并准备响应地址 0 的通信。
2. 读取设备描述符
   • 主机向地址 0 发送请求，读取设备描述符的前 8 个字节。这 8 个字节包含了设备所需的最关键信息，特别是 bMaxPacketSize0（端点 0 的最大数据包大小），后续的通信将使用这个尺寸。
3. 分配地址
   • 主机为新设备分配一个唯一的（1-127）地址，并通过 Set Address 请求发送给设备。设备之后的所有通信都将使用这个新地址。
4. 读取完整设备信息
   • 主机使用新分配的地址，再次读取完整的设备描述符（18 字节）。
   • 主机接着读取配置描述符、接口描述符、端点描述符等。这些描述符详细说明了：
     • 设备有多少种配置（通常为 1）。
     • 每种配置下有多少个接口（例如，一个 USB 摄像头可能包含视频流接口和音频接口）。
     • 每个接口有多少个端点（例如，控制端点、数据输入端点、数据输出端点）。
     • 设备的类别（如 HID、大容量存储、音频等）。
5. 加载并选择配置
   • 主机根据所有收集到的描述符信息，选择一个合适的配置（通常是配置 1）。然后向设备发送 Set Configuration 请求，激活该配置。
   • 至此，设备已完成配置，处于就绪状态。

阶段三：驱动加载

1. 驱动匹配
   • 主机根据枚举过程中获取的设备信息（主要是设备类、子类、协议以及 Vendor ID 和 Product ID）来寻找合适的设备驱动程序。
   • 基于类：如果设备属于标准类别（如 HID、大容量存储），操作系统通常会使用内置的通用驱动程序。
   • 基于厂商/产品 ID：对于特殊设备，操作系统会在已安装的驱动程序中查找匹配的 VID 和 PID。如果找不到，可能会提示用户安装驱动程序。
2. 驱动加载与初始化
   • 找到合适的驱动程序后，操作系统将其加载到内核（如果需要），并调用其初始化例程。驱动程序会识别到设备，并为其创建相应的设备节点（如在 Windows 中是设备对象，在 Linux 中是 /dev 下的文件）。

阶段四：正常工作与数据传输

1. 应用程序访问
   • 此时，设备已对系统和应用程序可见。用户或应用程序可以通过操作系统提供的 API（如 CreateFile, ReadFile 在 Windows；open, read 在 Linux）来访问设备。
2. 数据传输
   • 驱动程序处理应用程序的请求，将其转换为遵循 USB 协议的事务。
   • 事务通过四种类型的传输实现：
     • 控制传输：用于设备的枚举和配置，也可用于类特定请求。
     • 中断传输：用于小批量、需保证延迟的数据（如键盘、鼠标）。
     • 批量传输：用于大数据量、无时间要求的数据（如 U 盘、打印机）。
     • 等时传输：用于有恒定速率、实时性要求的数据（如摄像头、音箱）。
   • 主机控制器调度这些事务，通过 USB 总线将数据包发送到设备的特定端点上，完成应用程序所要求的功能。

USB 设备工作流程图

下图清晰地展示了上述流程：

总结

这个流程确保了 USB 设备即插即用（Plug-and-Play）的特性，使得用户无需关心复杂的硬件配置即可使用设备。