USB基础 -- USB2.0设备插入的过程

“USB2.0 设备插入后，主机侧从硬件信号到令牌（Token）层的完整过程”按时间线拆开讲清楚。为了便于实现/调试，把每一步的电气线状态（D+/D-）、主机/Hub 的动作、以及紧接着发生的令牌级事务都写在一起，并给出典型时序与数据包结构。

一、物理层：插入→检测→复位→速度判定

1) 线缆插入与上电（Attach/Powered）

• VBUS：主机/Hub 端口向下游供电（约 5V），设备上电。

• 下拉/上拉电阻：

  • 主机/Hub 端口：D+、D- 各有 15 kΩ 下拉到 GND。

  • 设备：

    • 全速（FS, 12 Mb/s）/高速（HS, 480 Mb/s）设备初始表现为 FS：在 D+ 上拉 1.5 kΩ 到 3.3V。
    • 低速（LS, 1.5 Mb/s）设备：在 D- 上拉 1.5 kΩ 到 3.3V。

• 连接去抖（Debounce）：Hub 监测到某条线持续为“J 状态”达到去抖时间后，判断有设备接入。

  • FS/HS 设备接入 → D+ 为高、D- 为低（J 状态（FS 视角））。
  • LS 设备接入 → D- 为高、D+ 为低（J 状态（LS 视角））。

线状态速查

• J/K 状态：差分逻辑电平，FS/LS 的定义相反：

  • FS 视角：J= D+高/D-低；K= D+低/D-高
  • LS 视角：J= D-高/D+低；K= D-低/D+高

• SE0：D+、D- 同时为低

• SE1：D+、D- 同时为高（非法）

2) 端口复位（Reset → Default）

• Hub 报告“连接”后，主机对该端口发起复位：把总线驱到 SE0（D+、D- 都低）持续 ≥10 ms（常见实现 10–20 ms）。
• 设备看到 SE0 复位，进入 Default 状态，地址=0，**端点0（EP0）**处于就绪（控制传输）。

3) 高速协商（HS Chirp，若设备支持 HS）

只有 HS 设备才会进行。不支持 HS 的设备保持 FS/LS。

1. 复位末尾，主机仍保持 SE0；HS 设备开始向主机发送“Chirp K”（在 FS 视角下的 K：D-高、D+低）。
2. 主机检测到设备 Chirp K 后，回送交替的 K/J 脉冲序列（至少 3 对 KJ）。
3. 设备检测到足够的 KJ 对，切换到 HS 终端与驱动（差分 45 Ω 终端、电流模驱动），链路进入 High-Speed（480 Mb/s）。
4. 若主机未回 Chirp KJ，设备保持 FS。

结果：

• HS 成功 → 之后主机以 125 μs 微帧调度（SOF/微帧 SOF）。
• FS/LS → 之后主机以 1 ms 帧调度（SOF）。

4) 空闲（Idle）/SOF 启动

• 复位结束后，主机开始发 SOF（Start Of Frame）记时：

  • FS：每 1 ms 一个 SOF Token（帧号递增）。
  • HS：每 125 μs 一个微帧 SOF Token（微帧号 0–7）。

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二、枚举起点：从“地址 0、端点 0”的控制传输开始

控制传输（EP0）三阶段：SETUP → DATA（可选，读/写方向）→ STATUS（0 字节、反向）。
在令牌层（Token/Data/Handshake）上，每个**事务（Transaction）**都由“Token 包 +（可选）Data 包 +（可选）Handshake 包”组成。

包结构速查

• SYNC（位同步，NRZI 编码+位填充）
• PID（8 bit，低 4 位为类型，高 4 位为其反码）
• Token 包（IN/OUT/SETUP/SOF）：PID（8） + ADDR（7） + ENDP（4） + CRC5（5）（SOF 用 FrameNum(11)+CRC5）
• Data 包（DATA0/DATA1/DATA2/MDATA）：PID（8） + Payload（0..N） + CRC16（16）
• Handshake 包（ACK/NAK/STALL/NYET）：PID（8）
• EOP（包结束，SE0 ~2 bit time + J）

数据切换位（Data Toggle）：控制读写的 DATA0/DATA1 翻转规则在枚举时尤为重要（见下文示例）。

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三、主机侧令牌层：典型的两笔枚举起始事务

以下按令牌级展开两个最关键的控制读事务（以 FS 为例；HS 相同只是速率/微帧不同）：

事务 A：读取前 8 字节设备描述符（Get Descriptor, first 8B）

目的：探测 bMaxPacketSize0（EP0 的最大包长），决定后续控制传输的分段。

1. SETUP 阶段（Host → Dev）

• Token：SETUP，ADDR=0, ENDP=0
• Data：DATA0，8 字节 Setup 请求体：
  bmRequestType=80h (IN, Standard, Device)
bRequest=GET_DESCRIPTOR (0x06)
wValue=(DEVICE<<8) | 0
wIndex=0
wLength=64（主机想读最多 64 字节，但先读 8 字节以确定 MPS0）
• Handshake：设备 ACK

2. DATA 阶段（Dev → Host，控制读）

• Token：IN，ADDR=0, EP0
• Data：设备回 DATA1，仅 8 字节（前 8 Byte 的 Device Descriptor，含 bMaxPacketSize0）
• Handshake：主机 ACK

3. STATUS 阶段（Host → Dev，反向 0B）

• Token：OUT，ADDR=0, EP0
• Data：DATA1，零长度包（ZLP）
• Handshake：设备 ACK

要点

• 控制读里，数据阶段方向为 IN，状态阶段为 OUT ZLP。
• SETUP 数据包固定使用 DATA0，随后的数据阶段从 DATA1 起始。
• 此时主机已经知道 EP0 的 bMaxPacketSize0（常见 8/16/32/64）。

事务 B：设置地址（SET_ADDRESS）

目的：把设备从默认地址 0 切到 新地址 N（1…127）。

1. SETUP 阶段（Host → Dev）

• Token：SETUP，ADDR=0, EP0
• Data：DATA0，8 字节 Setup：
  bmRequestType=00h (OUT, Standard, Device)
bRequest=SET_ADDRESS (0x05)
wValue=N
wIndex=0
wLength=0
• Handshake：设备 ACK

2. STATUS 阶段（Dev → Host，反向 0B）

• Token：IN，ADDR=0, EP0
• Data：设备发 ZLP（DATA1）
• Handshake：主机 ACK

要点

• 地址切换在状态阶段的 ACK 后生效。之后主机对该设备一律用 ADDR=N 访问。
• 随后主机会用新地址继续 Get_Descriptor(Device)（本次可按 MPS0 分段读取完整 18 字节），再 Get_Descriptor(Configuration) 等，直至 Set_Configuration。

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四、更多主机侧“令牌级”细节（你实现/抓包时会用到）

1. SOF/SOF 微帧

• FS：每 1 ms 发一次 SOF Token（PID=SOF + FrameNumber(11) + CRC5），用于全总线时间基准与带宽预算。
• HS：每 125 μs 发一次 微帧 SOF（帧号与微帧索引）。等时/中断端点在主机调度里按（微）帧精确分配时隙。

2. 控制传输的数据切换位

• SETUP 数据包总用 DATA0；
• 随后的 数据阶段：第一个数据包用 DATA1，之后在同一个控制传输内按规则交替；
• 状态阶段：始终用 对端方向的 0 字节包（常见实现中对端一般用 DATA1 作为状态 ZLP）。

3. 握手（Handshake）

• ACK：正确接收且 CRC 正确；
• NAK：暂时无数据或未就绪（主机可重试，常见在中断/批量端点）；
• STALL：功能不支持或需要清错（主机可能发 ClearFeature(Halt) 恢复）；
• NYET/PING：高速优化用语义（大多与 Bulk OUT 的缓冲/分组交互相关）。

4. 编码与位填充

• NRZI：数据“0”触发电平翻转，“1”保持；
• 位填充：连续 6 个“1” 后插入一个“0”避免丢失时钟；
• EOP：包末尾强制 SE0 ~2 bit time 再回到 J（空闲）。

5. 端口复位与清空数据切换

• 每次 总线复位 会把控制端点的 Data Toggle 复位（EP0 回到初始），这点在你实现栈重连或错误恢复时要注意。

6. 速度对应的帧与带宽感知

• LS：受 Hub 事务转换（Split/TT）限制，主机通过上游 Hub 进行低速分时通道调度；
• FS/HS：主机直接调度；HS 里等时传输可在每微帧获得更高吞吐与更低抖动。

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五、把“抓包视角”与“实现视角”对齐

• 抓包/分析（Wireshark + USBPcap / Beagle）：你会看到上面的 Token→Data→Handshake 三段式序列，PID/ADDR/ENDP/CRC 明确可见。

• 主机栈实现（比如 xHCI/EHCI/OHCI + 类驱动）：

  • 复位/速度枚举由 Host Controller 驱动（HCD）与 Hub 驱动协作完成（端口电源、复位、启用、速度寄存器读取）；
  • 令牌级调度由 HCD 的传输描述符（TD/TRB）队列下发，遵循 SOF/微帧时隙；
  • 类驱动（HID/CDC/UVC/MSC… 在 EP0 完成 SetAddress/获取描述符/SetConfig 后，按配置的端点类型提交 URB（中断/批量/等时）即可。

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六、总结（实现检查清单）

1. 电气检测：D+/D- 上拉判速（FS/LS）→ 端口去抖。

2. 端口复位：SE0 ≥10 ms → 设备进入 Default。

3. HS 协商（可选）：设备 Chirp K → 主机 KJ 对 → 切到 HS 或保持 FS。

4. SOF/微帧启动：提供调度基准。

5. 控制传输（EP0）：

   • Get_Descriptor(前 8B) → 确定 bMaxPacketSize0
   • Set_Address（状态阶段后生效）
   • 完整 Get_Descriptor(Device/Config/String…) + Set_Configuration

6. 后续端点：根据配置进行中断/批量/等时端点的 Token/Data/Handshake 调度；留意 NAK/STALL/NYET 与 数据切换位。