USB系列五：USB设备配置（重要）

在USB总线接口协议中，对于USB外部设备功能特征是通过端点（Endpoint）、配置（Configuration）和接口（Interface）来描述的，这些就是典型的USB描述符。

USB主机通过设备请求来读取外部设备的USB描述符，可以掌握该设备的接口信息和功能。USB设备请求提供了USB设备描述符的读取和写操作，包括标准设备请求和自定义请求两种。USB描述符和USB设备请求是USB外设的主要内容，是USB设备功能的体现。

本章包括

USB各种描述符的定义

USB各类设备请求的格式

USB设备请求范例

一、USB描述符概述

在USB总线接口协议中，规定了一些标准的USB描述符，如表所示。对于USB设备来说，有些USB描述符是必须的，例如设备描述符、配置描述符、字符串描述符、接口描述符和端点描述符。其余一些描述符并非必须，只在特定USB设备中使用，例如设备限定描述符和其他速率配置描述符用于高速USB设备，OTG设备描述符用于USBOTG外设，而超高速端点伴侣描述符用于超高速USB设备等等。

USB描述符其实就是一个数据集合，用来表征USB设备某一方面的功能。USB协议中严格规定了每一种描述符的数据格式。各个USB描述符均由一系列具有固定排列顺序的字段构成。通常来说，bLength为第一个字段，表示该描述符的长度；bDescriptorType为第二个字段，表示该描述符的类型。在描述符的定义中，往往采用特定的前缀字符来表示该字符的类型和长度，包括如下几类：

前缀字符b：表示一个字节（8b）；

前缀字符w：表示一个字（16b）；

前缀字符bm：表示按位寻址；

前缀字符bcd：表示采用二进制编码的10进制数；

前缀字符i：表示索引值；

前缀字符id：表示标识码。

USB描述符是深入学习USB开发所必须首要掌握的。

二、设备描述符（Device）

USB设备描述符是每个USB设备所必需包含的，并且一个USB设备只能有一个设备描述符。USB设备描述符用于表示USB设备的总体信息，包括USB规范版本号、产品ID、供应商ID、设备版本号等信息。USB设备描述符中的信息对于整个设备是完全有效的，而无关配置和接口的数量。

1、设备描述符定义

USB设备描述符由14个字段按照固定的顺序组成，该描述符的总长度固定为18个字节。USB设备描述符各个字段的格式，如表7.2所示。

下面详细说明USB设备描述符各个字段的具体含义：

1．bLength字段

bLength字段用于表示USB设备描述符的长度，长度占用1个字节，地址偏移量为0。对于USB设备描述符来说，bLength字段的值固定为18，也就是12H。

2．bDescriptorType字段

bDescriptorType字段用于表示USB描述符的类型值，长度占用1个字节，地址偏移量为1。对于USB设备描述符来说，bDescriptorType字段的值固定为01H。

3．bcdUSB字段

bcdUSB字段用于表示该USB设备所遵循的USB规范版本号，长度占用2个字节，地址偏移量为2。bcdUSB字段以BCD码的形式表示，其格式为0xAABC，这里各个符号的含义如下：

AA：主版本号。

B：次版本号。

C：子次版本号。例如，对于高速USB设备来说，其版本为USB2.0，对应的bcdUSB字段设置为0200H。

4．bDeviceClass字段

bDeviceClass字段用于表示该USB设备所属的标准设备类，长度占用1个字节，地址偏移量为4。bDeviceClass字段的值代表了不同的设备类：bDeviceClass字段值在01~FEH之间的时候，表示该设备为USB协议中预定义的某个标准设备类，例如03H表示HID设备类。bDeviceClass字段为0时，表示USB设备包含多个接口，各个接口互相独立，分别属于不同的设备类。此时，需要在USB固件接口描述符中进一步定义。bDeviceClass字段为FFH时，表示由用户自定义该设备类的类型。

5．bDeviceSubClass字段

bDeviceSubClass字段用于表示USB设备所属的标准设备子类，长度占用1个字节，地址偏移量为5。

bDeviceSubClass字段主要用于对USB设备类进行了更加细致的定义，其值随bDeviceClass字段的不同而有所区别：

当bDeviceClass字段值在01~FEH之间的时候，bDeviceSubClass字段表示标准设备类的子类。例如对于前面的HID设备类，只有一个子类代码01H。而对于显示设备类（04H），子类代码01H表示CRT显示器、02H表示平面显示器、03H表示3D显示器。

当bDeviceClass字段值为0时，bDeviceSubClass字段也必须为0；

当bDeviceClass字段值为FFH时，bDeviceSubClass字段必须由用户自定义设备子类。

6．bDeviceProtocol 字段

bDeviceProtocol字段用于表示USB设备所采用的设备类协议，长度占用1个字节，地址偏移量为6。bDeviceProtocol字段的值和bDeviceClass及bDeviceSubClass的值有关。如果该USB设备属于某个设备类和设备子类，则应该在bDeviceProtocol字段继续指名所采用的设备类协议。当bDeviceProtocol字段为0时，表示不使用任何设备类协议。当bDeviceProtocol字段为FFH时，表示设备类协议由用户自定义。

7．bMaxPackerSize0字段

bMaxPackerSize0字段用于表示在USB设备中，端点0所支持最大数据包的长度，长度占用1个字节，地址偏移量为7。bMaxPackerSize0字段以字节为单位，对于不同速率的设备而不同：对于低速USB设备，bMaxPackerSize0=8。对于全速USB设备，bMaxPackerSize0=8、16、32或64。对于高速USB设备，bMaxPackerSize0=64。对于超速USB设备，bMaxPackerSize0=512。

8．idVendor字段

idVendor字段用于表示USB设备的供应商ID，长度占用2个字节，地址偏移量为8。USB-IF组织中规定，每种USB设备都必须包含一个供应商ID，这样可以使主机为其寻找和加载合适的驱动程序。

9．idProduct字段

idProduct字段用于表示USB设备的产品ID，长度占用2个字节，地址偏移量为10。idProduct字段由设备供应商提供，用于表示某个供应商的特定USB设备。在USB设备上电的时候，该字段可以帮助USB主机选择合适的驱动程序。

10．bcdDevice字段

bcdDevice字段用于表示USB设备的版本号，长度占用2个字节，地址偏移量为12。bcdDevice字段以BCD码的形式表示，一般来说该字段由设备供应商指定。在USB设备上电的时候，该字段可以帮助USB主机选择合适的驱动程序。

11．iManufacturer字段

iManufacturer字段用于表示供应商字符串描述符的索引值，长度占用1个字节，地址偏移量为14。iManufacturer字段所指向的具体字符串内容在后面字符串描述符中定义。iManufacturer字段为0，表示没有供应商字符串。

12．iProduct字段

iProduct字段用于表示产品字符串描述符的索引值，长度占用1个字节，地址偏移量为15。iProduct字段所指向的具体字符串内容在后面字符串描述符中定义。iProduct字段为0，表示没有产品字符串。

13．iSerialNumber字段

iSerialNumber字段用于表示设备序列号字符串描述符的索引值，长度占用1个字节，址偏移量为16。iSerialNumber字段所指向的具体字符串内容在后面字符串描述符中定义。iSerialNumber字段为0，表示没有设备序列号字符串。

14．bNumConfigurations字段

bNumConfigurations字段用于表示该USB设备所支持的配置数，长度占用1个字节，地址偏移量为17。如果USB设备仅有一个配置，则bNumConfigurations=1，具有多个配置时该值可以大于1。

三、配置描述符（Configuration）

在USB总线接口协议中，USB配置描述符描述了USB设备的配置信息，包括接口数量、功耗等信息。每个USB设备都必须有一个配置描述符。另外，一个USB设备还可以有多个配置，但是每次传输过程仅使用其中的一个配置信息来完成。

1、配置描述符定义

USB配置描述符由8个字段按照固定的顺序组成，该描述符的总长度固定为9个字节。USB配置描述符各个字段的格式，如表7.3所示。

下面详细说明USB配置描述符各个字段的具体含义：

1．bLength字段

bLength字段用于表示USB配置描述符的长度，长度占用1个字节，地址偏移量为0。对于USB配置描述符来说，bLength字段的值固定为9，也就是09H。

2．bDescriptorType字段

bDescriptorType字段用于表示USB描述符的类型值，长度占用1个字节，地址偏移量为1。对于USB配置描述符来说，bDescriptorType字段的值固定为02H。

3．wTotalLength字段

wTotalLength字段用于表示配置信息的总长度，长度占用2个字节，地址偏移量为2。wTotalLength字段所设置的数值必须包括配置描述符、接口描述符和端点描述符长度的总和。

4．bNumInterfaces字段

bNumInterfaces字段用于表示配置所支持的接口数，长度占用1个字节，地址偏移量为4。一般来说，USB设备的接口数大于等于1，因此其最小值为1。

5．bConfigurationValue字段

bConfigurationValue字段用于表示USB设备的配置值，长度占用1个字节，地址偏移量为5。

6．iConfiguration字段

iConfiguration字段用于指出配置字符串描述符的索引值，长度占用1个字节，地址偏移量为6。iConfiguration字段所包含的具体字符串内容在后面字符串描述符中定义。如果没有配置字符串，iConfiguration字段可以置为0。

7．bmAttributes字段

bmAttributes字段用于表示USB设备的配置特性，长度占用1个字节，地址偏移量为7。bmAttributes字段是按位寻址的，各个位的含义如下：

D0~D4：保留值，一般置为0。

D5：设置为1表示支持远程唤醒功能，否则不支持。

D6：设置为1表示自供电，否则不支持。

D7：设置为1表示总线供电，否则不支持。

8．bMaxPower字段

bMaxPower字段用于表示USB设备运行时，所需要消耗的总线电流，长度占用1个字节，地址偏移量为8。bMaxPower字段所设置数值的单位以2mA为基准。需要注意的是，不同的版本支持的最大电流不同，bMaxPower字段可以设置的值也不同。

高速USB2.0设备可以从USB总线上获得最大的电流为500mA，因此bMaxPower字段的最大值可以设置为250。

超速USB3.0设备可以从USB总线上获得最大的电流为900mA，因此bMaxPower字段的最大值可以设置为450。

四、字符串描述符（String）

USB字符串描述符用于保存一些供应商名称、产品序列号等文本信息。在USB总线接口协议中，USB字符串描述符并不是必须的，设计者可以根据需要设置、增加或者减少。

1、字符串描述符定义

USB字符串描述符由3个字段按照固定的顺序组成，该描述符的总长度不是固定的，其长度随字符串的数量和信息的长度而变化。USB字符串描述符各个字段的格式，如表7.4所示。

下面详细说明USB字符串描述符各个字段的具体含义：

1．bLength字段

bLength字段用于表示USB字符串描述符的长度，长度占用1个字节，地址偏移量为0。对于USB字符串描述符来说，bLength字段的值不固定。如果所列字符串的长度为N，那么bLength字符需要设置为N+2。

2．bDescriptorType字段

bDescriptorType字段用于表示USB字符串描述符的类型值，长度占用1个字节，地址偏移量为1。对于USB字符串描述符来说，bDescriptorType字段的值固定为03H。

3．bString字段

bString字段是存储的字符串，长度不固定，地址偏移量为2。bString字段采用UNICODE编码来存储各个字符。

注意：USB字符串描述符可以包含多个。

五、接口描述符（Interface）

USB接口描述符是每个USB设备所必需包含的，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、所属的设备类和子类等。在USB总线接口协议中，所谓“接口”就是一个USB端点的集合。通过USB接口，可以完成USB设备的特定功能，例如数据输入、输出等等。

1、接口描述符定义

USB接口描述符由9个字段按照固定的顺序组成，该描述符的总长度固定为9个字节。USB接口描述符各个字段的格式，如表7.5所示。

下面详细说明USB接口描述符各个字段的具体含义：

1．bLength字段

bLength字段用于表示USB接口描述符的长度，长度占用1个字节，地址偏移量为0。对于USB接口描述符来说，bLength字段的值固定为9，也就是09H。

2．bDescriptorType字段

bDescriptorType字段用于表示USB描述符的类型值，长度占用1个字节，地址偏移量为1。对于USB接口描述符来说，bDescriptorType字段的值固定为04H。

3．bInterfaceNumber字段

bInterfaceNumber字段用于表示接口的接口号，长度占用1个字节，地址偏移量为2。

4．bAlterateSetting字段

bAlterateSetting字段用于表示接口的可替换设置值，长度占用1个字节，地址偏移量为3。

5．bNumEndpoints字段

bNumEndpoints字段用于表示接口所使用的端口数，长度占用1个字节，地址偏移量为4。这里需要注意，bNumEndpoints字段所设置的数值是除端点0以外的所有端点总数。

6．bInterfaceClass字段

bInterfaceClass字段用于表示接口所属的设备类，长度占用1个字节，地址偏移量为5。bInterfaceClass字段的取值含义如下：

当bInterfaceClass字段为01~FEH时，表示该接口属于USB定义的某个设备类。

当bInterfaceClass字段为FFH时，表示该设备类是供应商自定义的。

7．bInterfaceSubClass字段

bInterfaceSubClass字段用于表示接口所属的USB设备子类，长度占用1个字节，地址偏移量为6。bInterfaceSubClass字段的值与bInterfaceClass字段的值相关。

当bInterfaceClass字段为0时，bInterfaceSubClass字段必须为0。

如果bInterfaceClass字段为01~FEH之间，bInterfaceSubClass字段需进一步表示设备子类。

如果bInterfaceClass字段为FFH时，则需要由供应商自定义设备子类。

8．bInterfaceProtocol字段

bInterfaceProtocol字段用于表示接口所采用的USB设备类协议，长度占用1个字节，地址偏移量为7。bInterfaceProtocol字段的值和bInterfaceClass及bInterfaceSubClass的值有关。

当bInterfaceProtocol字段为0时，表示不使用任何设备类协议。

当bInterfaceProtocol字段为01~FEH时，表示该USB设备属于某个设备类和设备子类，则应该继续指名所采用的设备类协议。

当bInterfaceProtocol字段为FFH时，则需要由供应商自定义设备类协议。

9．iInterface字段

iInterface字段用于指出接口字符串描述符的索引值，长度占用1个字节，地址偏移量为8。iInterface字段所设置具体字符串的内容在后面字符串描述符中定义。如果没有接口字符串，可以置为0。

六、端点描述符（Endpoint）

USB端点描述符是每个USB设备所必需包含的，USB端点是USB数据传输的通道。USB端点描述符表示了USB设备端点的特性，包括其所支持的传输类型、传输方向等信息。在USB总线接口协议中规定，端点0没有端点描述符，其余每一个端点都必须包含一个端点描述符。

1、端点描述符定义

USB端点描述符由6个字段按照固定的顺序组成，该描述符的总长度固定为7个字节。USB端点描述符各个字段的格式，如表7.6所示。

1．bLength字段

bLength字段用于表示USB端点描述符的长度，长度占用1个字节，地址偏移量为0。对于USB端点描述符来说，bLength字段的值固定为7，也就是07H。

2．bDescriptorType字段

bDescriptorType字段用于表示USB描述符的类型值，长度占用1个字节，地址偏移量为1。对于USB端点描述符来说，bDescriptorType字段的值固定为05H。

3．bEndpointAddress字段

bEndpointAddress字段用于表示端点的端点号以及端点的数据传输方向，长度占用1个字节，地址偏移量为2。bEndpointAddress字段采用按位寻址的方式，各位的含义如下：

D7位表示端点的数据传输方向，0表示OUT数据传输，1表示IN数据传输。

D3~D0位表示端点号，例如001B表示端点1、010B表示端点2等。

其余位均保留，必须置0。

4．bmAttributes字段

bmAttributes字段用于表示端点的特性，长度占用1个字节，地址偏移量为3。bmAttributes字段采用按位寻址的方式，各位的含义如下：

D1~D0位表示端点的数据传输类型，00B表示控制传输、01B表示同步传输、10B表示块传输、11B表示中断传输。

D3~D2位进一步描述了不同的传输类型，例如如果是同步传输，这两位表示同步类型，00B表示非同步、01B表示异步、10B表示自适应、11B表示同步。

D5~D4位表示端点的用法类型，00B表示数据端点、01B表示显示反馈端点、10B表示隐式反馈端点、11B保留。

其余位保留。

5．wMaxPacketSize字段

wMaxPacketSize字段用于表示端点所支持最大数据包的长度，长度占用2个字节，地址偏移量为4。wMaxPacketSize字段采用按位寻址的方式，各位的含义如下：

D10~D0位表示数据包长度。

D12~D11位指出每小帧最多传输的事务处理数。

其余位均保留，必须设置0。

6．bInterval字段

bInterval字段用于指定端点数据传输的访问间隔，长度占用1个字节，地址偏移量为6。对于不同的端点类型，bInterval字段的取值可以参阅USB相关协议。例如：

对于低速中断端点，取值范围为10~255，对应的访问间隔为10ms~255ms。

对于全速中断端点，取值范围为1~255，对应的访问间隔为1ms~255ms。

七、USB设备请求概述

在USB总线接口协议中，使用USB设备请求来对USB描述符进行读取和写操作，这样USB主机才可以获取该设备的产品信息和能力。

1、标准USB设备请求概述

USB协议中规定了一些标准USB设备请求，如表7.9所示。标准USB请求对每个USB设备都是必需的。除了这些标准设备请求，USB协议中还允许使用自定义的请求来完成更多的操作。

其中，USB请求号02H、04H是未定义的，用于将来其他用途保留的。在USB总线接口协议中，所有的USB设备必须支持这些标准的USB请求，这就要求设备能够响应标准USB设备请求。如果USB设备对某个请求不需要进行操作，则可以通过返还一个空响应来表示。

2、USB设备请求处理过程

USB设备通过端点0的控制请求通道来响应USB设备请求。当USB功能设备连接到USB主机上的时候，USB主机首先通过标准的USB设备请求与USB功能设备进行通信。需要强调的是，USB设备请起均通过USB控制传输来完成，使用控制管道和USB功能设备进行通信。由前面的介绍可知，控制传输包括建立阶段、数据阶段和状态阶段三个环节，数据过程如下：

（1）在建立阶段，USB主机采用SETUP事务向USB设备发送控制请求。

（2）然后在数据阶段，USB主机或者USB设备响应控制请求并返回指定数据。

（3）最后，USB设备向主机报告控制事务建立阶段和数据阶段的传输结果。对于一个USB设备请求来说，最重要的是建立阶段的SETUP事务的控制请求和数据阶段的数据。对于每一个标准设备请求来说，SETUP事务都按照顺序包括6个字段，各个字段的含义如下：

bmRequestType字段：请求类型，长度占用1个字节。bmRequestType字段采用按位寻址的方式，D7=0表示主机到设备的请求，D7=1表示设备到主机的请求；D6~D5表示了设备请求类型，0表示标准设备请求，1表示USB类设备请求，2表示供应商设备请求，3为保留值；D4~D0表示了请求的接收者，0表示USB设备，1表示接口，2表示端点，3表示其他，其余的均为保留值。bRequest字段：标准设备请求号，长度占用1个字节。

wValue字段：不同的请求具有不同的含义，长度占用2个字节。

wIndex字段：不同的请求具有不同的含义，长度占用2个字节。

wLength字段：不同的请求具有不同的长度，长度占用2个字节。在数据阶段，根据不同的请求类型和设备请求号来决定数据内容及格式，并按照wLength字段所设置的数值来传输指定大小的数据。