USB命令請求及描述符詳解（速查手冊）

　　USB 協議規范本身有幾百頁的內容，這還不包括各種設備類等子文檔，但我覺得USB協議基礎部分除了需要了解一下USB物理傳輸模型外，最重要的內容是USB的各種請求（即命令）和各種描述符，這篇文章就是介紹這些命令及描述符的。初學者可以結合百合電子工作室的另一篇文章《實例講解USB的枚舉（配置）過程》能夠加深理解本文內容。

　　USB設備從插入主機到建立通訊要經歷兩個階段：1、USB設備的插入動作識別。2、USB設備的枚舉，能過枚舉過程，USB主機可以判斷USB設備屬於哪種類別（如USB鼠標、USB鍵盤、USB游戲桿、優盤等）並為之安裝合適的驅動程序，有關USB設備的枚舉過程請參考本站文章《實例講解USB的枚舉（配置）過程》。正確識別USB設備后則可正常使用了。本文所述內容是USB設備枚舉過程中涉及到的USB命令和USB描述符。

一、USB命令

　　USB是一種主從結構，主機叫Host，從機叫Device，所以我們經常把從機叫做設備。USB數據通信只能發生在主機與從機之間（新的USB擴展規范USB OTG可以實現主機與主機之間通信，但實質也是通過設備作為媒介實現），所有的數據通信都由主機發起，而從機只能被動地應答。

　　在USB規范里，對命令一詞提供的英文單詞為“Request”，意為請求的意思，但這里為了更好的理解主機與設備之間的主從關系，將它解釋成“命令”。

　　當USB設備的識別過程（即枚舉）也是一個數據通信過程，在這一過程中，USB規范規定了一個標准的過程，主機在這一過程中發也不同的命令，設備對這些命令作出正確響應以完成設備的識別過程（即我們經常說的枚舉過程），所以本文前面提到在學習本文過程中可以參考另一篇文章《實例講解USB的枚舉（配置）過程》以加深理解。

　　所有的USB設備都要求對主機發給自己的控制命令作出響應，USB規范定義了11個標准命令，它們分別是：Clear_Feature、Get_Configuration、Get_Descriptor、Get_Interface、Get_Status、Set_Address、Set_Configuration、Set_Descriptor、Set_Interface、Set_Feature、Synch_Frame。所有USB設備都必須支持這些命令（個別命令除外，如Set_Descriptor、Synch_Frame）。

　　不同的命令雖然有不同的數據和使用目的，但所有的USB命令結構是一樣的。下表所示為USB命令的結構（偏移量低的先發送）： 

表1、USB命令的結構
偏移量	域	長度（字節）	值	描述
0	bmRequestType	1	位圖	請求特征： D7：傳輸方向  0=主機至設備  1=設備至主機  D6..5：種類  0=標准  1=類  2=廠商  3=保留  D4..0：接受者  0=設備  1=接口  2=端點  3=其他  4..31 保留
1	bRequest	1	值	命令類型編碼值（見表3）
2	wValue	2	值	根據不同的命令，含義也不同
4	wIndex	2	索引或偏移	根據不同的命令，含義也不同，主要用於傳送索引或偏移值
6	wLength	2		如有數據傳送階段，此為數據字節數。

 

下表舉例列出了USB的11種標准命令的結構（命令類型由bRequest字段指出，共有11種標准命令，見表3）

 

表2、USB的11種標准命令
命令	bmRequestType	bRequest	wValue	wIndex	wLength	Data
Clear_Feature	00000000B 00000001B 00000010B	CLEAR_FEATURE	特性選擇符	零  接口號  端點號	零	無
Get_Configuration	10000000B	GET_CONFIGURATION	零	零	一	配置值
Get_Descriptor	10000000B	GET_DESCRIPTOR	描述表種類(高字節，見表5）和索引（低字節）	零或語言標志	描述表長	描述表
Get_Interface	10000001B	GET_INTERFACE	零	接口號	一	可選設置
Get_Status	10000000B 10000001B 10000010B	GET_STATUS	零	零（返回設備狀態） 接口號（對像時接口時） 端點號（對象是端點時）	二	設備, 接口 ,或  端點狀態
Set_Address	00000000B	SET_ADDRESS	設備地址	零	零	無
Set_Configuration	00000000B	SET_CONFIGURATION	配置值（高字節為0，低字節表示要設置的配置值）	零	零	無
Set_Descriptor	00000000B	SET_DESCRIPTOR	描述表種類（高字節，見表5）和索引（低字節）	零或語言標志	描述表長	描述表
Set_Feature	00000000B 00000001B 00000010B	SET_FEATURE	特性選擇符(1表示設備，0表示端點）	零  接口號  端點號	零	無
Set_Interface	00000001B	SET_INTERFACE	可選設置	接口號	零	無
Synch_Frame	100000010B	SYNCH_FRAME	零	端點號	二	幀號

 

其中bRequest為命令編碼值，共有11種標准命令，含意見表3：

 

表3、USB標准命令的編碼值
bRequest	Value
GET_STATUS	0
CLEAR_FEATURE	1
為將來保留	2
SET_FEATURE	3
為將來保留	4
SET_ADDRESS	5
GET_DESCRIPTOR	6
SET_DESCRIPTOR	7
GET_CONFIGURATION	8
SET_CONFIGURATION	9
GET_INTERFACE	10
SET_INTERFACE	11
SYNCH_FRAME	12

 

 在USB設備識別（枚舉）過程中，USB主機會發出不同命令來完成這一過程。

二、USB描述符

　　在USB設備的枚舉過程中，USB設備需要對主機發來的命令請求作出正確回應，這些應答數據都有規定的數據格式，在USB規范里把這些有固定結構的數據包稱為描述符。

　　USB協議為USB設備定義了一套描述設備功能和屬性的有固定結構的描述符，包括標准的描述符即設備描述符、配置描述符、接口描述符、端點描述符和字符串描述符，還有非標准描述符，如類描述符。USB設備通過這些描述符向USB主機匯報設備的各種屬性，主機通過對這些描述符的訪問對設備進行類型識別、配置並為其提供相應的客戶端驅動程序。

　　USB設備通過描述符反映自己的設備特性。USB描述符是由特定格式排列的一組數據結構組成。

　　在USB設備枚舉過程中，主機端的協義軟件需要解析從USB設備讀取的所有描述符信息。在USB主向設備發送讀取描述符的請求后，USB設備將所有的描述符以連續的數據流方式傳輸給USB主機。主機從第一個讀到的字符開始，根據雙方規定好的數據格式，順序地解析讀到的數據流。

　　USB描述符包含標准描述符、類描述符和廠商特定描述３種形式。它們都是必須的（除標准描述符里的字符串描述符可選外）。

　　在USB1.X中，規定了5種標准描述符：設備描述符（Device Descriptor)、配置描述符（Configuration Descriptor）、接口描述符（Interface Descriptor）、端點描述符（Endpoint Descriptor）和字符串描述符（String Descriptor）。

　　每個USB設備只有一個設備描述符，而一個設備中可包含一個或多個配置描述符，即USB設備可以有多種配置。設備的每一個配置中又可以包含一個或多個接口描述符，即USB設備可以支持多種功能（接口），接口的特性通過描述符提供。

　　在USB主機訪問USB設備的描述符時，USB設備依照設備描述符、配置描述符、接口描述符、端點描述符、字符串描述符順序將所有描述符傳給主機。一設備至少要包含設備描述符、配置描述符和接口描述符，如果USB設備沒有端點描述符，則它僅僅用默認管道與主機進行數據傳輸。

１、設備描述符

　　設備描述符給出了USB設備的一般信息，包括對設備及在設備配置中起全程作用的信息，包括制造商標識號ID、產品序列號、所屬設備類號、默認端點的最大包長度和配置描述符的個數等。一個USB設備必須有且僅有一個設備描述符。設備描述符是設備連接到總線上時USB主機所讀取的第一個描述符，它包含了14個字段，結構如下：

 

表4、USB設備描述符的結構
偏移量	域	大小	值	描述
0	bLength	1	數字	此描述表的字節數
1	bDecriptorType	1	常量	描述符的類型（此處應為0x01，即設備描述符）
2	bcdUSB	2	BCD碼	此設備與描述表兼容的USB設備說明版本號（BCD 碼）
4	bDeviceClass	1	類	設備類碼： 如果此域的值為0則一個設置下每個接口指出它自己的類，各個接口各自獨立工作。  如果此域的值處於1~FEH之間，則設備在不同的接口上支持不同的類。並這些接口可能不能獨立工作。此值指出了這些接口集體的類定義。  如果此域設為FFH，則此設備的類由廠商定義。
5	bDeviceSubClass	1	子類	子類掩碼  這些碼值的具體含義根據bDeviceClass 域來看。  如bDeviceClass 域為零，此域也須為零  如bDeviceClass 域為FFH，此域的所有值保留。
6	bDevicePortocol	1	協議	協議碼  這些碼的值視bDeviceClass 和 bDeviceSubClass 的值而定。  如果設備支持設備類相關的協議，此碼標志了設備類的值。如果此域的值為零，則此設備不支持設備類相關的協議，然而，可能它的接口支持設備類相關的協議。如果此域的值為FFH，此設備使用廠商定義的協議。
7	bMaxPacketSize0	1	數字	端點0的最大包大小（僅8,16,32,64 為合法值）
8	idVendor	2	ID	廠商標志（由USB-IF組織賦值）
10	idProduct	2	ID	產品標志（由廠商賦值）
12	bcdDevice	2	BCD 碼	設備發行號（BCD 碼）
14	iManufacturer	1	索引	描述廠商信息的字符串描述符的索引值。
15	iProduct	1	索引	描述產品信息的字串描述符的索引值。
16	iSerialNumber	1	索引	描述設備序列號信息的字串描述符的索引值。
17	bNumConfigurations	1	數字	可能的配置描述符數目

 

其中bDescriptorType為描述符的類型，其含義可查下表（此表也適用於標准命令Get_Descriptor中wValue域高字節的取值含義）：

 

表5、USB描述符的類型值
類型	描述符	描述符值
標准描述符	設備描述符（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
	端點描述符（EndPont Descriptor）	0x05
類描述符	集線器類描述符（Hub Descriptor）	0x29
	人機接口類描述符（HID）	0x21
廠商定義的描述符		0xFF

 

設備類代碼bDeviceClass可查下表：

 

表6、設備的類別（bDeviceClass）
值（十進制）	值（十六進制）	說明
0	0x00	接口描述符中提供類的值
2	0x02	通信類
9	0x09	集線器類
220	0xDC	用於診斷用途的設備類
224	0xE0	無線通信設備類
255	0xFF	廠商定義的設備類

 

下表列出了一個USB鼠標的設備描述符的例子，供大家分析一下：

 

表7、一種鼠標的設備描述符示例
字段	描述符值（十六制）
bLength	0x12
bDecriptorType	0x01
bcdUSB	x0110
bDeviceClass	0x00
bDeviceSubClass	0x00
bDevicePortocol	0x00
bMaxPacketSize0	0x08
idVendor	0x045E(Microsoft Corporation）
idProduct	0x0047
bcdDevice	0x300
iManufacturer	0x01
iProduct	0x03
iSerialNumber	0x00
bNumConfigurations	0x01

 

2、配置描述符

　　配置描述符中包括了描述符的長度（屬於此描述符的所有接口描述符和端點描述符的長度的和）、供電方式（自供電/總線供電）、最大耗電量等。主果主機發出USB標准命令Get_Descriptor要求得到設備的某個配置描述符，那么除了此配置描述符以外，此配置包含的所有接口描述符與端點描述符都將提供給USB主機。

 

表8、USB配置描述符的結構
偏移量	域	大小	值	描述
0	bLength	1	數字	此描述表的字節數長度。
1	bDescriptorType	1	常量	配置描述表類型（此處為0x02）
2	wTotalLength	2	數字	此配置信息的總長（包括配置，接口，端點和設備類及廠商定義的描述符）
4	bNumInterfaces	1	數字	此配置所支持的接口個數
5	bCongfigurationValue	1	數字	在SetConfiguration（）請求中用作參數來選定此配置。
6	iConfiguration	1	索引	描述此配置的字串描述表索引
7	bmAttributes	1	位圖	配置特性：  D7： 保留（設為一）  D6： 自給電源  D5： 遠程喚醒  D4..0：保留（設為一）  一個既用總線電源又有自給電源的設備會在MaxPower域指出需要從總線取的電量。並設置D6為一。運行時期的實際電源模式可由GetStatus(DEVICE) 請求得到。
8	MaxPower	1	mA	在此配置下的總線電源耗費量。以 2mA 為一個單位。

 

下面是一種硬盤的配置描述符示例：

 

表9、一種硬盤的配置描述符示例
字段	描述符值（十六進制）
bLength	0x09
bDescriptorType	0x02
wTotalLength	0x01F
bNumInterfaces	0x01
bCongfigurationValue	0x01
iConfiguration	0x00
bmAttributes	0x0C
MaxPower	0x32

 

3、接口描述符

　　配置描述符中包含了一個或多個接口描述符，這里的“接口”並不是指物理存在的接口，在這里把它稱之為“功能”更易理解些，例如一個設備既有錄音的功能又有揚聲器的功能，則這個設備至少就有兩個“接口”。

　　如果一個配置描述符不止支持一個接口描述符，並且每個接口描述符都有一個或多個端點描述符，那么在響應USB主機的配置描述符命令時，USB設備的端點描述符總是緊跟着相關的接口描述符后面，作為配置描述符的一部分被返回。接口描述符不可直接用Set_Descriptor和Get_Descriptor來存取。

　　如果一個接口僅使用端點0，則接口描述符以后就不再返回端點描述符，並且此接口表現的是一個控制接口的特性，它使用與端點0相關聯的默認管道進行數據傳輸。在這種情況下bNumberEndpoints域應被設置成0。接口描述符在說明端點個數並不把端點0計算在內。

 

表10、USB接口描述符的結構
偏移量	域	大小	值	說明
0	bLength	1	數字	此表的字節數
1	bDescriptorType	1	常量	接口描述表類（此處應為0x04）
2	bInterfaceNumber	1	數字	接口號，當前配置支持的接口數組索引（從零開始）。
3	bAlternateSetting	1	數字	可選設置的索引值。
4	bNumEndpoints	1	數字	此接口用的端點數量，如果是零則說明此接口只用缺省控制管道。
5	bInterfaceClass	1	類	接口所屬的類值：  零值為將來的標准保留。  如果此域的值設為FFH，則此接口類由廠商說明。  所有其它的值由USB 說明保留。
6	bInterfaceSubClass	1	子類	子類碼  這些值的定義視bInterfaceClass域而定。  如果bInterfaceClass域的值為零則此域的值必須為零。  bInterfaceClass域不為FFH則所有值由USB 所保留。
7	bInterfaceProtocol	1	協議	協議碼：bInterfaceClass 和bInterfaceSubClass 域的值而定.如果一個接口支持設備類相關的請求此域的值指出了設備類說明中所定義的協議.
8	iInterface	1	索引	描述此接口的字串描述表的索引值。

 

對於bInterfaceClass字段，表示接口所屬的類別，USB協議根據功能將不同的接口划分成不的類，其具體含義如下表所示：

 

表11、USB協議定義的接口類別（bInterfaceClass）
值（十六進制）	類別
0x01	音頻類
0x02	CDC控制類
0x03	人機接口類（HID）
0x05	物理類
0x06	圖像類
0x07	打印機類
0x08	大數據存儲類
0x09	集線器類
0x0A	CDC數據類
0x0B	智能卡類
0x0D	安全類
0xDC	診斷設備類
0xE0	無線控制器類
0xFE	特定應用類（包括紅外的橋接器等）
0xFF	廠商定義的設備

 

4、端點描述符

　　端點是設備與主機之間進行數據傳輸的邏輯接口，除配置使用的端點0（控制端點，一般一個設備只有一個控制端點）為雙向端口外，其它均為單向。端點描述符描述了數據的傳輸類型、傳輸方向、數據包大小和端點號（也可稱為端點地址）等。

　　除了描述符中描述的端點外，每個設備必須要有一個默認的控制型端點，地址為0，它的數據傳輸為雙向，而且沒有專門的描述符，只是在設備描述符中定義了它的最大包長度。主機通過此端點向設備發送命令，獲得設備的各種描述符的信息，並通過它來配置設備。

 

表12、USB端點描述符的結構
偏移量	域	大小	值	說明
0	bLength	1	數字	此描述表的字節數長度
1	bDescriptorType	1	常量	端點描述表類（此處應為0x05）
2	bEndpointAddress	1	端點	此描述表所描述的端點的地址、方向：  Bit 3..0 : 端點號. Bit 6..4 : 保留,為零  Bit 7:    方向,如果控制端點則略。  0：輸出端點（主機到設備）  1：輸入端點（設備到主機）
3	bmAttributes	1	位圖	此域的值描述的是在bConfigurationValue域所指的配置下端點的特性。  Bit 1..0 :傳送類型  00=控制傳送  01=同步傳送  10=批傳送  11=中斷傳送  所有其它的位都保留。
4	wMaxPacketSize	2	數字	當前配置下此端點能夠接收或發送的最大數據包的大小。  對於實進傳輸，此值用於為每幀的數據凈負荷預留時間。在實際運行時，管道可能不完全需要預留的帶寬，實際帶寬可由設備通過一種非USB定義的機制匯報給主機。對於中斷傳輸，批量傳輸和控制傳輸，端點可能發送比之短的數據包
6	bInterval	1	數字	周期數據傳輸端點的時間間隙。  此域的值對於批傳送的端點及控制傳送的端點無意義。對於同步傳送的端點此域必需為1，表示周期為1ms。對於中斷傳送的端點此域值的范圍為1ms到255ms。

 

下表是一種鼠標的端點描述符的示例，該端點是一個中斷端點：

 

表13、一種鼠標的端點描述符示例
域	值（十六進制）
bLength	0x07
bDescriptorType	0x05
bEndpointAddress	0x81
bmAttributes	0x03
wMaxPacketSize	0x04
bInterval	0x0A

 

5、字符串描述符

　　字符串描述符是一種可選的USB標准描述符，描述了如制商、設備名稱或序列號等信息。如果一個設備無字符串描述符，則其它描述符中與字符串有關的索引值都必須為0。字符串使用的是Unicode編碼。

　　主機請示得到某個字符串描述符時一般分成兩步：首先主機向設備發出USB標准命令Get_Descriptor，其中所使用的字符串的索引值為0，設備返回一個字符串描述符，此描述符的結構如下：

 

表14、USB字符串描述符（響應主機請求時返回的表示語言ID的字符串描述符）
偏移量	域	大小	值	描述
0	bLength	1	N+2	此描述表的字節數
1	bDescriptorType	1	常量	字串描述表類型（此處應為0x03）
2	wLANGID[0]	2	數字	語言標識（LANGID）  碼0
…	…	…	…	…
N	wLANGID[x]	2	數字	語言標識（LANGID）  碼X

 

該字符串描述符雙字節的語言ID的數組，wLANGID[0]~wLANGID[x]指明了設備支持的語言，具體含義可查看USB_LANGIDs.pdf。

　　主機根據自己需要的語言，再次向設備發出USB標准命令Get_Descriptor，指明所要求得到的字符串的索引值和語言。這次設備所返回的是Unicode編號的字符串描述符，其結構如下：

 

表15、Unicode字符串描述符（響應主機請求時真正表示字符串編碼的字符串描述符）
偏移量	域	大小	值	描述
0	bLength	1	數字	此描述表的字節數（bString域的數值N＋2）
1	bDescriptorType	1	常量	字串描述表類型（此處應為0x03）
2	bString	N	數字	UNICODE 編碼的字串

 

bString域為設備實際返回的以UNICODE編碼的字符串流，我們在編寫設備端硬件驅動的時候需要將字符串轉換為UNICODE編碼，您可以通過一些UNICODE轉換工具進行轉換。這里推薦由百合電子工作室開發的一款USB描述符生成工具“ USB Unicode 字符串描述符生成器 ”，它專門為編寫設備端驅動程序的需要而定制，可以非常方便將您需要的字符串轉換成UNICODE格式，進而導入您的C或匯編程序代碼中，以下是它的界面：

USB Unicode 字符串描述符生成器－生成C語言格式

USB Unicode 字符串描述符生成器－生成匯編格式