USB系列之二：读取USB设备的描述符

2008-06-11 08:33:59

在前面的文章中，我们已经给出了USB协议的链接地址，从这篇文章起，我们会涉及到许多USB 1.1的内容，我们的指导思想是先从熟悉USB 1.1协议入手，先使用现成的HCD和USBD，直接面对客户端驱动编程，尽快看到成果，使读者对USB的开发充满信心，进而去研究USBD和HCD的编程方法。请读者自行阅读协议，文章中有关协议的详细情况，由于会涉及非常多的文字，恕不能过多解释。

1、USB系统主机端的软件结构

一般来说，教科书或者协议上都会把USB主机端的软件说成有三层，第一层叫主机控制器驱动程序HCD(Host Controller Driver)，第二层叫USB驱动程序USBD(USB Driver)，第三层叫客户端驱动程序(Client Driver)；实际上，我们实际看到的东西，往往HCD和USBD是由一个程序完成的，比如windows就提供了HCD和USBD，如果你自己开发了一个USB设备，只需要在HCD和USBD上面开发一个客户端驱动程序即可；linux也是同样，linux内核已经提供了HCD和USBD；所以在windows和linux下我们基本上没有开发HCD和USBD的必要，而且linux还提供源代码；但DOS就不一样了，DOS本身对USB没有任何支持，所以要想在DOS下彻底玩转USB，需要研究HCD、USBD和客户端驱动程序。

2、DOSUSB介绍

很显然，HCD和USBD更加底层一些，需要理解的东西也更多一些；如果我们能够绕过HCD和USBD，直接从客户端驱动程序入手，将会容易许多。幸运的是我们可以找到一个免费的DOS下的USB驱动程序，叫DOSUSB，该驱动程序实现了大部分的HCD和USBD的功能，使我们进行USB编程的好帮手。

DOSUSB目前还没有实现EHIC的驱动，也就是说还不支持USB2.0，这也是我们从USB 1.1开始的原因之一，另一方面，由于USB2.0是兼容USB1.1的，所以，即便你在USB2.0的设备下，仍然可以使用USB1.1的驱动程序，只不过不能实现480MB/秒的传送速度而已。

下面我们介绍一下DOSUSB。DOSUSB的官方网站如下：http://www.dosusb.net(2021年08月06日注：这个链接仍然有效)

可以从其官方网站上下载DOSUSB的最新版本，当前版本是1.1.1。或者在下面在下面网址下载这个版本的DOSUSB。

http://blog.whowin.net/software/dosusb/dosusb.zip

DOSUSB可以在非商业领域免费使用，如果肯花费费用，可以购买到源代码，从其官方网站的论坛上看到，在2006年9月作者开出的源代码的价格是1000欧元。（2017年3月15日注：我靠，现在还是这个价钱，而且不能免费使用了）

DOSUSB的安装十分简便，只需要解压缩到某一个目录下即可，比如放在c:\dosusb目录下，请自行阅读DOSUSB自带的文档，使用也非常简单，在DOS提示符下键入dosusb执行即可。

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 c:\dosusb>dosusb

缺省情况下，DOSUSB使用int 65h作为其驱动的调用软中断，如果和你的系统有冲突，在运行dosusb时可以加参数/I，请自行阅读DOSUSB的文档。

DOSUSB通过一个叫做URB(USB Request Block)的数据结构与客户端驱动程序进行通讯，这一点和linux非常相似，估计作者参考了linux下的源代码，在DOSUSB文档里给出了这个结构的定义，如下：

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  struct {
    BYTE  transaction_type;   // 设置事务（控制传输）(2Dh)，输入事务(69h)输出事务(E1h)
    BYTE  chain_end_flag;     // 备用
    BYTE  dev_add;            // 设备地址
    BYTE  end_point;          // 端点号
    BYTE  error_code;         // 错误吗
    BYTE  status;             // 设备状态
    WORD  transaction_flags;  // 备用
    WORD  buffer_off;         // 接收/发送缓冲区偏移地址
    WORD  buffer_seg;         // 接收/发送缓冲区段地址
    WORD  buffer_length;      // 接收/发送缓冲区长度
    WORD  actual_length;      // 接收/发送时每个包的最大长度
    WORD  setup_buffer_off;   // setup_request结构的偏移地址
    WORD  setup_buffer_seg;   // setup_request结构的段地址
    WORD  start_frame;        // 备用
    WORD  nr_of_packets;      // >0时会启动实时传输
    WORD  int_interval;       // 备用
    WORD  error_count;        // 重试的次数
    WORD  timeout;            // 备用
    WORD  next_urb_off;       // 备用
    WORD  next_urb_seg;       // 备用
  } urb                       // 32字节

之所以列出这个结构，是因为我们将使用这个结构与USBD进行交互。关于结构中字段的定义，在DOSUSB的文档中有详细的说明。除备用字段不需要填以外，error_code和status由DOSUSB返回，故填0即可，后面还会介绍更详细的填写方法。

在DOSUSB的发行包中，有一个sample目录，里面有很多例子，但大多是使用power basic写的，不过仍然有很好的参考价值。

3、USB 1.1协议中的一些内容

USB协议为USB设备定义了一套描述设备功能和属性的固有结构的描述符，包括标准描述符（设备描述符、配置描述符、接口描述符、端点描述符和字符串描述符），还有非标准描述符，如类描述符等。按照协议，设备描述符下可以有若干个配置描述符，每个配置描述符可以有若干个接口描述符，每个接口描述符下又可以有若干个端点描述符，字符串描述符主要用于描述一些文字信息，比如厂家名称，产品名称等。这篇文章的目的就是要读出这些描述符。

实际上，所谓描述符就是一个数据结构，不管是什么描述符，其前两个字节的含义都是一样的，第一个字节是描述符的长度，第二个字节是描述符的类型。

  • 设备描述符(Device Descriptor)：

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      struct {
    BYTE    bLength;            // 描述符的长度，以字节为单位
    BYTE    bDescriptorType;    // 设备描述符类型，0x01
    WORD    bcdUSB;             // 设备支持的USB协议版本，BCD码
    BYTE    bDeviceClass;       // 设备类代码(由USB-IF分配)
    BYTE    bDeviceSubClass;    // 子类代码
    BYTE    bDeviceProtocol;    // 协议码
    BYTE    bMaxPacketSize0;    // 端点0的最大包长度(仅为8,16,32,64)
    WORD    idVendor;           // 厂商ID(由USB-IF分配)
    WORD    idProduct;          // 产品ID(由制造商定义)
    WORD    bcdDevice;          // 设备发行号(BCD码)
    BYTE    iManufacture;       // 描述厂商信息的字符串描述符的索引值
    BYTE    iProduct;           // 描述产品信息的字符串描述符的索引值
    BYTE    iSerialNumber;      // 描述设备序列号信息的字符串描述符的索引值
    BYTE    bNumConfigurations; // 可能的配置描述符的数目
  } device_descriptor

  • 配置描述符(Configuration Descriptor)

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      struct {
    BYTE    bLength;             // 描述符的长度，以字节为单位
    BYTE    bDescriptorType;     // 配置描述符类型，0x02
    WORD    wTotalLength;        // 配置信息的总长
    BYTE    bNumInterfaces;      // 该配置所支持的接口数目
    BYTE    bConfigurationValue; // 被SetCongiguration()请求用做参数来选定该配置
    BYTE    bConfiguration;      // 描述该配置的字符串描述符的索引值
    BYTE    bmAttributes;        // 配置特性
    BYTE    MaxPower;            // 该配置下的总线电源耗费量，以2mA为一个单位 
  }configuration_descriptor;

    bmAttributes ：b7：备用，b6：自供电，b5：远程唤醒，b4–b0：备用

    另外，在读取配置描述符时可以把该配置下的所有描述符全部读出，这些描述符的总长度就是wTotalLength字段的值，读出所有描述符后，在一个一个地拆分。

  • 接口描述符(Interface Descriptor)：

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      struct {
    BYTE    bLength;            // 描述符的长度，以字节为单位
    BYTE    bDescriptorType;    // 接口描述符类型，0x04
    BYTE    bInterfaceNumber;   // 接口号，从0开始
    BYTE    bAlternateSetting;  // 可选设置的索引值.
    BYTE    bNumEndpoints;      // 此接口的端点数量。 
    BYTE    bInterfaceClass;    // 接口类编码(由USB-IF分配)
    BYTE    bInterfaceSubClass; // 接口子类编码(由USB-IF分配)
    BYTE    bInterfaceProtocol; // 协议码(由USB-IF分配)
    BYTE    iInterface;         // 描述该接口的字符串描述符的索引值
  }interface_descriptor;

    bInterfaceClass：USB协议根据功能将不同的接口划分成不同的类，如下：

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    1：音频类，2：CDC控制类，3：人机接口类（HID），5：物理类，6：图像类，
7：打印机类，8：大数据存储类，9：集线器类，10：CDC数据类，11：智能卡类，
13：安全类，220：诊断设备类，224：无线控制类，254：特定应用类，255厂商定义的设备。

  • 端点描述符(Endpoint Descriptor)：

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      struct {
    BYTE    bLength;            // 描述符的长度，以字节为单位
    BYTE    bDescriptorType;    // 端点描述符类型，0x05
    BYTE    bEndpointAddress;   // 端点地址
    BYTE    bmAttributes;       // 在bconfigurationValue所指的配置下的端点特性.
    WORD    wMaxPacketSize;     // 接收/发送的最大数据报长度. 
    BYTE    bInterval;          // 周期数据传输端点的时间间隙.
  }endpoint_descriptor;

    bmAttributes：bit 1:0–传送类型，00=控制传输，01=实时传输，10=批量传输，11=中断传输；所有其他位均保留。

  • 字符串描述符(String Descriptor)：

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      struct {
    BYTE    bLength;            // 描述符的长度，以字节为单位
    BYTE    bDescriptorType;    // 字符串描述符类型，0x03
    char    bString[];          // UNICODE编码的字符串
  }string_descriptor;

  • USB命令请求（USB DEVICE REQUEST）

    为了更好地协调USB主机与设备之间的数据通信，USB规范定义了一套命令请求，用于完成主机对总线上所有USB设备的统一控制，USB命令请求由统一的格式，其结构如下：

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      struct {
    BYTE  bmRequestType;  // 请求类型
    BYTE  bRequest;       // 命令请求的编码
    WORD  wValue;         // 命令不同，含义不同
    WORD  wIndex;         // 命令不同，含义不同 
    WORD  wLength;        // 如果有数据阶段，此字段为数据字节数
  } setup_request;

    后面我们向设备发出指令就全靠这个结构了。作为我们本文要用到的读取USB设备描述符的命令请求，该结构各字段的填法如下。

    bmRequestType : b7–数据传输方向，0=主机到设备，1=设备到主机；b6:5–命令的类型，0=标准命令，1=类命令，2=厂商提供的命令，3=保留；b4:0–接收对象，0=设备，1=接口，2=端点，3=其他。我们发出的得到描述符的命令，数据传输方向为设备到主机，标准命令，接收对象为设备，所以该字段填0x80。

    bRequest : 标准命令的编码如下，GET_STATUS=0;CLEAR_FEATURE=1;SET_FEATURE=3;SET_ADDRESS=5；GET_DESCRIPTOR=6;SET_DESCRIPTOR=7;GET_CONFIGURATION=8;SET_CONFIGURATION=9;GET_INTERFACE=10;SET_INTERFACE=11;SYNCH_FRAME=12。我们的命令是GET_DESCRIPTOR，所以应该填6。

    wValue : 高字节表示描述符的类型，0x01=设备描述符，0x02=配置描述符，0x03=字符串描述符，0x04=接口描述符，0x05=端点描述符，0x29=集线器类描述符，0x21=人机接口类描述符，0xFF=厂商定义的描述符。

    低字节表示表示描述符的索引值。所以，当读取设备描述符时，该字段值为0x100，当读取配置描述符是，应为0x03yy，其中yy为描述符的索引值。

    wIndex : 当读取字符串描述符时，填0x0409，表示希望获得英文字符串，其他情况下填0。

    wLength : 数据长度，一般应该填写，描述符的第一个字节，bLength。由于我们在读描述符时，并不知道其实际长度，通常的做法是先读取8个字节，然后根据第一个字节bLength的值在重新读取一次完整的描述符；注意，当读取配置描述符的钱8个字节后，应该使用wTotalLength字段的值作为长度读取与该配置有关的所有描述符。

4、读取设备描述符的范例程序

按照我们文章的习惯，几乎每篇文章都有一个范例程序，本文也不例外，本文的范例程序请在下面地址下载：http://blog.whowin.net/source/usbview.zip

程序用C++写成，在DJGPP下编译通过，所以是32位保护模式下的代码，要注意的是，DOSUSB是实模式下的驱动，所以在申请内存块时要申请1M以内实模式可以读取的内存，否则，在使用int 65h调用DOSUSB时一定会出现问题。

有4个头文件，public.h中定义了一些方便使用的数据类型，比如BYTE为char，WORD为short int等等，可以不必太关注；x86int.h中定义了调用DOS中断所需的函数和数据结构，直到怎么使用就可以了；dosmem.h中定义了一个DOS_MEM类，主要是为了在保护模式下申请和使用DOS内存块更为方便，也是知道其中的方法，能够明白程序中的意义就可以了；usb.h定义了与USB协议有关的所有常数，这些常数与前面介绍的各种数据结构一一对应，由于我们是在保护模式下使用DOS内存，所以把一个内存块映射到一个数据结构上有一些麻烦，读取各个字段主要靠在usb.h中定义的这些常数。

主要程序在usbview.cc中，主要思路如下：

  • USB设备的地址从1–127，所以我们从1–127做一个循环，逐一读取USB设备描述符，直到出现“非法地址”为止。
  • 每一个USB设备的设备描述符只有一个，所以我们从读取某个地址下的设备描述符开始。
  • 开始我们并不知道设备描述符的长度，即便我们知道其长度为18个字符，但我们仍然不知道端点0允许的包长度（设备描述符中bMaxPacketSize0字段），但我们知道包长度的最小值是8，所以我们先读取8个字节的设备描述符。
  • 在我们得到8个字符的设备描述符后，我们就可以得到该描述符的长度和端点0的包长度，在后面发出的所有命令中，始终要把这个值填在URB结构的actual_length字段中。
  • buffer用于存放USBD返回的描述符，在使用前建议初始化一下，全部清0。
  • 要向设备发出命令请求（Request），需要先填setup_request结构，前面讲过，bmRequestType=0x80，bRequest=6，这两个字段的填法始终不变；我们现在读取设备描述符，所以wValue=0x100，wIndex=0，wLength在首次调用时填8，第二次调用时填返回的bLength字段（应该是18）。
  • 准备好buffer和setup_request后，我们要填URB一边与DOSUSB交互；读取描述符是一个控制传输，所以transaction=0x2D(后面一直是0x2D)；dev_add填上面提到的循环变量；end_point=0，因为我们总对端点0（见USB协议）；buffer_off和buffer_seg分别填buffer的便宜地址和段地址；setup_buffer_off和setup_buffer_seg分别填前面setup_request结构的偏移地址和段地址；buffer_length同setup_request结构中的wLength，也可以把值设在wLength和buferr的最大长度之间，如果buffer的最大长度小于wLength，我们只能填buffer的最大长度，但这种情况下我们将得不到完整的描述符；actual_length在第一次调用时填8，以后一直填返回的bMaxPacketsize0字段；其他字段均为0。
  • 让DS:DX指向刚刚填完的URB结构，调用软中断65h，DOSUSB将为你处理下面的事情。
  • 如果正常，error_code应该返回0，如果非0，含义如下：

    1–非法的设备地址；2–内部错误；3–非法的transation_type字段；4–非法的buffer长度。

  • 如果正常，status字段应该为0，该字段是是USB控制器返回的状态字节，不同的控制器（OHCI或UHCI）会返回不同的值。 *当我们得到设备描述符后，如果设备描述符中的iManufacturer字段不为0，我们可以根据这个所引值得到相应的字符串描述符，从而显示出厂家信息，要注意的是字符串描述符是UNICODE编码，对于ASCII而言，它是一个ASSCII码跟一个ASCII 0组成；同理我们可以得到产品信息和序列号信息。
  • 当我们得到了设备的设备描述符后，我们就可以知道这个设备上有多少个配置（设备描述符中的bNumConfigurations），进而通过一个循环得到所有的配置描述符及其配置下的所有描述符。
  • 读取配置描述符的方法与读取设备描述符大同小异，也是先读取8个字节，然后根据返回的内容再读取所有的描述符内容，要注意的是，实际上，我们不能单独得到接口描述符和端点描述符，唯一的办法是把一个配置下的描述符全部读出来，所以setup_request结构中的wLength字段一定要与配置描述符中返回的wTotalLength值一致才行。
  • 剩下的事情就是如何显示我们得到的描述符，我想这对每一位读者而言都不是什么困难的事。