Состояния устройств

Подробности

Родительская категория: USB

Категория: Устройства USB

Устройство USB должно поддерживать все состояния, определенные спецификацией:

• «Подключено» (Attached State) — устройство подключено к хабу, но питание от шины не подано, устройство не может никак себя проявить и не управляемо хостом. Если питание от шины не используется (даже для SIE), то это состояние отсутствует;
• «Запитано» (Powered State) — устройство подключено к порту и ему подано питание, устройство может заявить о себе, подтягивая резистором линию D+ или D- к шине питания. Это промежуточная ступенька к «дежурному» состоянию;
• «Дежурное» состояние (Default State) по включению питания, подключению к порту или по сбросу от порта: устройство имеет нулевой адрес (USB Default Address) и отзывается только на обращения к EP0, потребляет от шины не более 100 мА;
• «Адресовано» (Addressed State) — запросом Set_Address ему назначен уникальный адрес на шине (1–127), но отзывается только на обращения к EP0, потребляет от шины не более 100 мА;
• «Сконфигурировано» (Configured State) — запросом Set_Configuration выбрана конфигурация, устройство отзывается на обращения ко всем точкам, описанным в данной конфигурации, и может потреблять от шины заявленный ток. При необходимости можно изменять альтернативные установки интерфесов запросом Set_Interface;
• «Приостановлено» (Suspended Mode) — устройство подключено, запитано (хотя бы по минимуму), но приостановлено (прекращение активности порта, к которому оно подключено). Ему до приостановки мог быть назначен адрес и установлена конфигурация, однако хост не может использовать функции этого устройства, пока не будет выполнено возобновление (resume), которое вернет устройство в состояние, бывшее до приостановки. В этом состоянии устройство может подать сигнал удаленного пробуждения, если оно обладает этой возможностью и хост разрешил ее использовать.

USB поддерживает динамическое конфигурирование, отслеживая подключение и отключение устройств. USB позволяет идентифицировать подключаемые устройства, определять их потребности в ресурсах (полоса пропускания, питание от шины), выбирать нужную конфигурацию и управлять устройствами, что обеспечивает полную поддержку PnP. Для этих целей определены «правила поведения» подключаемых устройств, система дескрипторов и стандартные управляющие запросы к устройствам. Ключевую роль в системе PnP играют хабы, позволяющие селективно управлять работой подсоединенных к ним сегментов шины, что требуется на этапе конфигурирования. В процессе работы шины постоянно идет процесс нумерации (enumeration) устройств, отслеживающий изменения физической топологии.

Автоматическое конфигурирование

Подробности

Родительская категория: USB

Категория: Устройства USB

Все устройства подключаются через порты хабов. Хабы определяют подключение и отключение устройств к своим портам (см. главу 14) и сообщают состояние портов по запросу от контроллера. Хост своим управляющим запросом Port_Reset к хабу выполняет сброс и разрешает работу порта (одного!), на котором обнаружено новое подключение. При начальном подключении или после сброса устройство находится в «дежурном» состоянии (Default State) — отзывается только на обращения по основному каналу сообщений (EP0) и имеет нулевой адрес (USB Default Address). Таким образом, обращаясь к устройству по нулевому адресу, хост взаимодействует только с одним новоподключенным устройством. Хост стандартными запросами считывает дескрипторы этого устройства и назначает ему уникальный адрес на шине (1–127). Таким образом хост заполняет свой перечень подключенных устройств. По назначении уникального адреса устройство переходит в состояние «адресовано» (Addressed State), но его прикладное функционирование пока еще не разрешено. Полноценная работа устройства (прикладной обмен с хостом, полное потребление питания от шины) возможна только после управляющего запроса от хоста Set_Configuration, выбирающего конфигурацию из числа доступных — устройство переходит в состояние «сконфигурировано» (Configured State).

Если новое устройство является хабом, хост, сконфигурировав его, таким же способом определяет подключенные к нему устройства, идентифицирует их, назначает адреса и конфигурирует. Если новое устройство является функцией, уведомление о подключении передается заинтересованному ПО и, при необходимости, для него загружаются клиентские драйверы.

Когда устройство отключается, хаб автоматически запрещает соответствующий порт и сообщает об отключении хосту, который удаляет сведения о данном устройстве из всех рабочих структур данных (но не из реестра Windows!). Если отключается устройство-функция, уведомление посылается заинтересованному ПО. Если отключается хаб, процесс удаления выполняется для всех подключенных к нему устройств.

Идентификация и классификация устройств

Подробности

Родительская категория: USB

Категория: Устройства USB

Обнаружив подключение устройства (по сообщению от хаба), система USB считывает его дескрипторы, чтобы определить, какие программные компоненты необходимо загрузить и кого уведомлять о появлении нового устройства. В любом устройстве USB обязательно должны присутствовать дескрипторы устройства, конфигурации, интерфейсов и конечных точек. Подробно структура дескрипторов описана далее, здесь рассматриваются только фрагменты дескрипторов, участвующих в идентификации устройств.

В дескрипторе устройства имеются 2-байтные поля, идентифицирующие устройство в целом:

• idVendor — идентификатор производителя (VID — Vendor Id), назначаемый USB-IF;
• idProduct и bcdDevice — идентификатор продукта (PID — Product Id) и его версии (DID — Device Id), определяются производителем.

Кроме того, здесь могут присутствовать ссылки на строковые дескрипторы, в которых содержатся текстовые названия изготовителя и устройства, а также его серийный номер. Эти текстовые описания имеют произвольную длину и формат (но кодируются в UNICODE), на эти строковые дескрипторы указывают индексы в полях iManufacturer, iProduct и iSerialNumber.

Для определения назначения, возможностей и протоколов, поддерживаемых устройством и его отдельными интерфейсами, в его дескрипторах указываются коды класса, подкласса и протокола. Коды класса, подкласса и протокола имеют непосредственное отношение к интерфейсам — по ним могут быть подобраны (операционной системой автоматически) подходящий драйвер и клиентское приложение. Эти коды содержатся в дескрипторах интерфейсов, поддерживаемых устройством. «Штатные» коды в диапазоне 01h–FEh назначает USB-IF, но только для уже стандартизованных устройств. Значение 00h означает отсутствие определения, FFh отдано для специфического назначения разработчикам и производителям устройств. Сообщение штатного кода обязывает устройство соответствовать стандартным требованиям, предъявляемым к интерфейсам с указанным протоколом для заданного класса и подкласса, в том числе и выполнять все специфические запросы и сообщать специфические дескрипторы, если таковые имеются. При этом допускается и расширение возможностей устройства. Для связывания нестандартного устройства со своим драйвером используются идентификаторы VID и PID.

Коды класса, подкласса и протокола присутствуют не только в дескрипторах интерфейсов, но и в дескрипторе устройства. Здесь нулевой код класса означает, что устройство состоит из набора независимых интерфейсов, каждому из которых может быть назначен свой код класса, подкласса и протокола. При этом и подкласс и протокол устройства тоже нулевые (то есть устройство в целом стандартно охарактеризовать нельзя). «Штатный» код класса устройства означает, что его интерфейсы не являются независимыми (агрегированные интерфейсы). При этом код подкласса (тоже от USB-IF) является дополнительным квалификатором. «Штатный» код протокола означает, что устройство поддерживает все протоколы, требуемые для устройства данного класса и подкласса. Нулевой код протокола устройства означает, что протоколы могут быть определены только для отдельных интерфейсов.

Классификация устройств USB относится не к потребительским функциям, выполняемым устройствами, а к способам коммуникаций между хостом и устройствами. Классификация позволяет обобщать характеристики интерфейсов, при этом, как правило, код протокола задает состав, тип конечных точек и правила их использования, а подкласс определяет форматы данных, передаваемых через те или иные конечные точки. Классификация позволяет сократить многообразие (разнотипность) драйверов, требуемых для различных устройств, — драйвер может абстрагироваться от конкретного устройства-функции, которое он обслуживает. Операционная система связывает имеющиеся в ее распоряжении клиентские драйверы с конкретными интерфейсами устройств, используя коды классов/подклассов и протокола, а также идентификаторы производителя, продукта и его версии.

 

Таблица. Некоторые стандартные классы и протоколы устройств

Подкласс	Протокол (точки, используемые интерфейсом)
Класс 01 — аудиоустройства
01 — AUDIOCONTROL, управляемый модуль аудиообработки (регулятор, фильтр, микшер, ревербератор…) 02 — AUDIOSTREAMING, устройство-приемник или источник аудиопотока 03 — MIDISTREAMING, устройство-приемник или источник потока MIDI-сообщений	00 — протокол не определен
Класс 03 — человеко-машинный интерфейс (HID-устройства)
01 — устройства, используемые при загрузке ОС	01 — клавиатура 02 — мышь
Класс 07 — принтеры
01 — передача к принтеру данных, используя любые языки описания страниц (PCL), применяемые в принтерах с традиционными интерфейсами, и прием информации о состоянии	01 — однонаправленный (EP0, Bulk-OUT) 02 — двунаправленный (EP0, Bulk-OUT, Bulk-IN) 03 — двунаправленный IEEE 1284.4 (EP0, Bulk-OUT, Bulk-IN)
Класс 08 — устройства хранения данных (mass storage)
01 — сокращенный набор команд (RBC — Reduced Block Commands), типично для устройств на флэш-памяти, но этот набор команд могут использовать любые устройства хранения 02 — SFF8020i, MMC-2 (ATAPI), типично для CD/DVD-устройств 03 — QIC-157 (ленточные устройства) 04 — UFI, типично для НГМД 05 — SFF8070i, типично для НГМД 06 — прозрачная передача команд SCSI	00 — CBI-транспорт с прерываниями (EP0, Bulk-OUT, Bulk-IN, Interrupt-IN) 01 — CBI-транспорт без прерываний (EP0, Bulk-OUT, Bulk-IN, Interrupt-IN), только для FS 50h — BO-транспорт (Bulk-OUT, Bulk-IN, EP0)
Класс 09h — хабы
00 — деления на подклассы нет	00 — хаб USB 1.x; 01 — хаб USB 2.0 с одним транслятором транзакций; 02 — хаб USB 2.0 с множеством трансляторов транзакций
Класс 0Eh — видеоустройства
01 —VIDEOCONTROL, управляемое устройство видеообработки 02 — VIDEOSTREAMING, устройство-приемник или источник видеопотока 03 — VIDEO_INTERFACE_COLLECTION, набор связанных интерфейсов видеоустройств	00 — протокол не определен

Дескрипторы

Подробности

Родительская категория: USB

Категория: Устройства USB

В USB принята иерархия дескрипторов, описывающих все свойства устройств. Стандартные дескрипторы USB начинаются с байта длины дескриптора, за которым следует байт, определяющий тип дескриптора.

• дескриптор устройства, Device Descriptor (тип 1), описывающий устройство в целом (версия USB, класс, производитель, модель, протокол, число возможных конфигураций). Для HS-устройств общее описание дополняется дескриптором-квалификатором, Device Qualfier Descriptor (тип 6), в котором указывается, сколько у устройства будет конфигураций при работе на иной скорости (дескриптор устройства относится к той скорости, на которой устройство работает в данный момент);
• дескрипторы конфигурации, Configuration Descriptor, (тип 2), описывающие число интерфейсов, атрибуты (способ питания и возможность генерации удаленного пробуждения) и мощность, потребляемую от шины в каждой конфигурации для текущей скорости. Для HS-устройств имеются и дескрипторы конфигураций для иной скорости, Other Speed Configuration Descriptor (тип 7), описывающие те же параметры с тем же форматом;
• дескрипторы интерфейсов, Interface Descriptor (тип 4), для каждого из интерфейсов, доступных в указанной конфигурации, сообщает число прикладных конечных точек, класс и протокол интерфейса. В конфигурации может быть несколько альтернативных вариантов (alternate settings) данного интерфейса, каждому из которых соответствует свой дескриптор интерфейса. Первичным интерфейсом (primary interface) называют нулевой альтернативный вариант (alternate settings = 0);
• дескрипторы конечных точек, Endpoint Descriptor (тип 5) определяют номер и направление точки, атрибуты (тип передач), максимальный размер поля данных и интервал обслуживания (для точек периодических передач);
• строковые дескрипторы, String Descriptor (тип 3) — необязательные текстовые строки информации, которые могут отображаться хостом. Ссылки (однобайтные индексы) на строковые дескрипторы имеются в дескрипторах устройства, конфигураций и интерфейсов. Нулевое значение индекса означает отсутствие строкового дескриптора для данной структуры. Строки состоят из 2-байтных символов UNICODE, явного терминатора строки нет — конец определяется по длине, заявленной в заголовке дескриптора. Строковые дескрипторы могут присутствовать в устройствах на разных языках; для выбора нужного дескриптора в запросе кроме индекса указывается и 16-битный идентификатор языка (LanguageID). Строковый дескриптор, вызываемый по нулевому индексу (с любым кодом языка), в своем теле содержит список поддерживаемых идентификаторов языка. Значения LanguageID для некоторых языков:
       — русский — 0419h;
       — английский (США) — 0409h;
       — английский (Великобритания) — 0809h;
       — белорусский — 0423h;
       — украинский — 0422h;
• специфические дескрипторы, Class-Specific Descriptor, могут использоваться в устройствах определенных классов. Так, например, для хабов имеется дескриптор интерфейса питания, Interface Power (тип 8). Специфические дескрипторы также должны начинаться с поля длины и типа.

Дескрипторы от устройств хост получает по запросам Get_Descriptor, указав тип дескриптора. Таким способом можно явно запросить дескриптор устройства (и квалификатор), дескриптор конфигурации (для текущей и иной скорости) и дескриптор строки (а также дескриптор OTG). Дескрипторы интерфейсов и конечных точек по отдельности не адресуются, они пристраиваются «хвостом» к дескриптору конфигурации. Возможность чтения всех имеющихся дескрипторов обязательна для всех устройств, дополнительно может поддерживаться и запись дескрипторов (запросом Set_Descriptor). Положительный ответ устройства на транзакцию записи дескриптора означает, что он принят и устройство будет подчиниться его свойствам.

По запросу дескриптора конфигурации устройство выдает целую цепочку дескрипторов, начинающуюся с собственно дескриптора конфигурации. За ней для каждого доступного интерфейса следует дескриптор первичного интерфейса и его конечных точек, за которым следуют все альтернативные варианты со своими конечными точками. Общая длина всего описания конфигурации заранее не известна, она указывается в поле wTotalLength дескриптора конфигурации. Так что для получения конфигурации сначала выполняют запрос, указав длину собственно дескриптора конфигурации (9, хотя достаточно и 4), а потом его повторяют с длиной, прочитанной из данного поля.

В приведенных ниже таблицах и описаниях перед мнемоническими названиями полей префикс b означает байт, w — двухбайтное слово, bm — битовую карту, i — целое число (однобайтный индекс), bcd — неупакованный BCD-формат, id — идентификатор (не число). Отметим, что в пакетах слово передается младшим байтом вперед, так что обращение к слову, размещенному в памяти хоста, будет естественным для процессоров x86 (младший байт по меньшему адресу) и не требует перестановки байтов.

Таблица. Дескриптор устройства

Смещение	Поле	Длина	Содержание
0	bLength	1	Длина дескриптора (18)
1	bDescriptorType	1	Тип дескриптора (1)
2	bcdUSB	2	Версия спецификации USB в BCD-формате (0200h означает USB 2.0)
4	bDeviceClass	1	Код класса устройства
5	bDeviceSubClass	1	Код подкласса устройства
6	bDeviceProtocol	1	Код подкласса устройства
7	bMaxPacketSize0	1	Максимальный размер пакета для EP0 (8, 16, 32 или 64)
8	idVendor	2	Идентификатор производителя (Vendor ID)
10	idProduct	2	Идентификатор продукта (Product ID)
12	bcdDevice	2	Версия устройства в BCD-формате
14	iManufacturer	1	Индекс строкового дескриптора производителя
15	iProduct	1	Индекс строкового дескриптора продукта
16	iSerialNumber	1	Индекс строкового дескриптора серийного номера
17	bNumConfigurations	1	Число возможных конфигураций устройства на данной скорости

 

Таблица. Дескриптор-квалификатор устройства

Смещение	Поле	Длина	Содержание
0	bLength	1	Длина дескриптора (10)
1	bDescriptorType	1	Тип дескриптора (10)
2	bcdUSB	2	Версия спецификации USB в BCD-формате (0200h означает USB 2.0)
4	bDeviceClass	1	Код класса устройства
5	bDeviceSubClass	1	Код подкласса устройства
6	bDeviceProtocol	1	Код подкласса устройства
7	bMaxPacketSize0	1	Максимальный размер пакета для EP0 на иной скорости
8	bNumConfigurations	1	Число возможных конфигураций устройства на иной скорости
9	bReserved	1	Резерв (0)

 

 Таблица. Дескрипторы конфигурации

Смещение	Поле	Длина	Содержание
0	bLength	1	Размер данного дескриптора (9)
1	bDescriptorType	1	Тип дескриптора (2 или 7)
2	wTotalLength	2	Общее число байтов полного описания данной конфигурации
4	bNumInterfaces	1	Число поддерживаемых интерфейсов
5	bConfigurationValue	1	Номер конфигурации
6	iConfiguration	1	Индекс строкового дескриптора конфигурации
8	bmAttributes	1	Атрибуты (характеристики конфигурации: D7: резерв (1) D6: Selfpowered — возможность автономного питания D5: Remote Wakeup — способность генерации удаленного пробуждения D4...0: резерв (0)
9	bMaxPower	1	Максимальный ток потребления от шины в рабочем режиме в единицах по 2 мА

 

Таблица. Дескриптор интерфейса

Смещение	Поле	Длина	Содержание
0	bLength	1	Размер данного дескриптора (9)
1	bDescriptorType	1	Тип дескриптора (4)
2	bInterfaceNumber	1	Номер интерфейса
3	bAlternateSetting	1	Номер альтернативной установки
4	bNumEndpoints	1	Число конечных точек, используемых интерфейсом (исключая EP0)
5	bInterfaceClass	1	Класс интерфейса
6	bInterfaceSubClass	1	Подласс интерфейса
7	bInterfaceProtocol	1	Код протокола
8	iInterface	1	Индекс строкового дескриптора интерфейса

 

Таблица. Дескриптор конечной точки

Смещение	Поле	Длина	Содержание
0	bLength	1	Размер дескриптора (7)
1	bDescriptorType	1	Тип дескриптора (5)
2	bEndpointAddress	1	Адрес точки: Биты [3:0] — номер точки; Биты[6:4] — резерв (0); Бит 7 — направление (игнорируется для EP0): 0 = OUT, 1 = IN
3	bmAttributes	1	Атрибуты точки: Биты [1:0] — тип точки: 00 = Control, 01 = Isochronous, 10 = Bulk, 11 = Interrupt; Биты [5:2] используются только для изохронных точек, для остальных резерв (0): Биты [3:2] — тип синхронизации: 00 = нет синхронизации, 01 = асинхронная, 10 = адаптивная, 11 = синхронная; Биты [5:4] — тип использования: 00 = данные, 01 = обратная связь, 10 = данные с предоставлением неявной обратной связи, 11 = резерв
4	wMaxPacketSize	2	Биты [10:0] — максимальный размер пакета; Биты [12:11] — число дополнительных транзакций в микрокадре, только для широкополосных точек, для остальных — резерв (0); Биты [15:13] — резерв (0)
6	bInterval	1	Для точек периодических транзакций — интервал обслуживания (см. главу 11), для HSточек непериодического вывода — допустимая частота посылки NAK

 

Таблица. Строковый дескриптор

Смещение	Поле	Длина	Содержание
0	bLength	1	Размер дескриптора (N+2)
1	bDescriptorType	1	Тип дескриптора (3)
2	bString	N	Строка байтов