USB系列之三：从你的U盘里读出更多的内容

2008-07-08 23:02:42

U盘是我们最常使用的一种USB设备，本文继续使用DOSUSB做驱动，试图以读取扇区的方式读取你的U盘。

本文可能涉及的协议可能会比较多。

一、了解你的U盘

首先我们用上一篇文章介绍的程序usbview.exe去看一下你的U盘，我在本文中用于测试的U盘情况如下：

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  Device Descriptor: (设备描述符)
  USB Address:             1
  Length:                  18
  Descriptor Type:         1
  USB Specification nr.:   0x0110
  Calss Code:              Class code specified by interface
  Subclass Code:           0x00
  Protocol Code:           0x00
  MAX Packet Size:         0x08
  Vendor ID:               0x058f
  Product ID:              0x9321
  Device Code:             0x0100
  Manufacture Index:       1
  Product Index:           2
  Serial Number Index:     0
  Number of Configuration: 1

  String Descriptor: (字符串描述符)
  Manufacturer: Alcor Micro
  Product: Mass Storage Device

  Configuration Descriptor: (配置描述符)
  Length:               9
  Descriptor Type:      2
  Total Length:         32
  Number of Interfaces: 1
  Configuration Value:  1
  Configuration Index:  0
  Attributes:           Bus Powered
  Max Power:            50mA

  Interface Descriptor: (接口描述符)
  Length:               9
  Descriptor Type:      4
  Interface Number:     0
  Alternate Setting:    0
  Number of Endpoints:  2
  Interface Class:      Mass Storage Device
  Interface Sub Class:  6
  Interface Protocol:   80
  Interface Index:      0

  Endpoint Descriptor: (端点描述符)
  Length:               7
  Descriptor Type:      5
  Endpoint Address:     1 OUT endpoint
  Attributes:           Bulk
  Max Packet Size:      64
  Interval:             0

  Endpoint Descriptor: (端点描述符)
  Length:               7
  Descriptor Type:      5
  Endpoint Address:     2 IN endpoint
  Attributes:           Bulk
  Max Packet Size:      64
  Interval:             0

各种描述符的含义在以前的文章中介绍过了，或者去翻阅USB的specification，这里就不多说了，我们从接口描述符开始就一些关键点进行一下说明。

首先看接口描述符，Interface Class = 8，表明是Mass Storage Device；Sub Class = 6，表明执行SCSI命令；Interface Protocol = 0x80，表明支持Bulk传输；另外，Number of Endpoints = 2，表明有两个端点。

两个端点描述符要注意的是，Endpoint Address = 1的是OUT端点，Endpoint Address = 2的是IN端点，有些可能会不一样；有些U盘可能还会有第三个端点，比如支持中断传输的U盘还会有一个Interrupt端点，不过这都没有关系。

我大概看了我手头有的5个U盘，都支持批量传输，且支持SCSI命令，所以，这可能是一个比较典型的例子，我们就以它为例。

二、CBW(Command Block Wrapper)和CSW(Command Status Wrapper)

在《USB系列之一》中，我们安装了一个DOSUSB，在《USB系列之二》中，我们利用USBDOS读取了所有的描述表，掌握这些内容需要了解USB协议1.1（USB Specification Revision 1.1）即可，当然还要了解USBDOS，不过这个比较简单。

在系列一和系列二中，我们已经对DOSUSB的一个数据结构URB有所了解，本文中还要大量用到，我们还接触了一个结构叫device_request，这个结构是在USB协议中定义的，用于向设备发送命令（Request），本文也会用到。

与前面不同的是，前面的两个系列可以针对任何USB设备，比如U盘、摄像头、打印机等，而本文将只针对我们经常使用的USB设备—-U盘，如果你打算尝试本文所介绍的内容，请准备好一个U盘，什么样子的都行，或者是一个USB读卡器，不过要记得插一张卡进去，实际上本文所载范例就是使用一个USB的CF卡读卡器完成的，不用担心损害你的U盘中的数据，本文不会对U盘进行任何写操作，仅仅做一些读操作。

这个系列中我们需要针对U盘读更多的规范，如下：

  • Universal Serial Bus Mass Storage Class Specification Overview
    • 下载地址：http://blog.whowin.net/specification/usb_msc_overview_1.2.pdf
  • Universal Serial Bus Mass Storage Class – Bulk-Only Transport
    • 下载地址：http://blog.whowin.net/specification/usbmassbulk_10.pdf
  • SCSI Primary Commands - 3(SPC-3)
    • 下载地址：http://blog.whowin.net/specification/SCSI_Primary_Commands-3.pdf
  • SCSI Block Commands - 2(SBC-2)
    • 下载地址：http://blog.whowin.net/specification/SCSI_Block_Command-2.pdf

不用为规范发愁，实际上，前两个规范都很短，其中第一个对实际编程没有什么作用，但最好看一下；第二个规范连目录一共22页，其中13页以前的内容可以跳过（很多和USB Specification中相同），第三个规范主要看第6章，第四个规范主要看第5章，后两个规范在编程时需要经常翻阅，以便了解你正在实现的SCSI命令的具体格式和参数。

本节我们主要介绍两个新的数据结构，这两个结构都是在第二个规范中定义的。

  • 第一个数据结构叫CBW(Command Block Wrapper)

    从你的U盘里读出更多的内容

    这个结构将承载具体的与设备有关的命令发送到设备上去，这个结构分成两部分，第一部分从byte[0]–byte[14]共15个字节，第而部分从byte[15]–byte[30]共16个字节，整个数据结构为31个字节。规范中并没有定义第二部分的内容，这是因为第二部分承载的具体的命令，既与命令集（SCSI命令集）有关，也与具体的命令有关，我们使用SCSI命令集，所以后16个字节的内容在前面提到的后面两个规范中有定义。

    比如我们要向设备发出一个SCSI命令INQUIRY（我们姑且先不要管命令的含义），那么这个命令的结构在SPC-3的第142页有定义，如下：

    从你的U盘里读出更多的内容

    对于SCSI INQUIRY这条命令而言，CBW的第二部分的定义就是上面的这六个字节，不同的命令，定义也会不同。

    好，我们回到CSW的结构上来，根据规范，dCBWSignature的值必须是0X43425355，其实就是USBC这几个字母倒过来，这是因为CBW的字符顺序是little endian（这个东东在以前有关网络编程的文章中介绍过），而我们PC机中的字符顺序是big endian，所以要颠倒一下，总之写dCBWSignature = 0X43425355就OK了；dCBWTag仅仅是一个标志，你可以填任何值，这里要先说一下CSW（Command Status Wrapper），我们每发出一个命令，设备都会返回一个CSW(这个东东下面很快就要介绍了)，以说明命令的执行状态，这个结构中也有Signature和Tag这两个字段，其中Tag字段和发出命令时CBW中的Tag字段相同，这样就可以区分这个CSW是和那个CBW对应的了，至于Signature，下面再说。

    下一个字段是dCBWDataTransferLength，表示的是当这个命令发出后，我们希望设备返回数据的字符数或者我们要向设备传输的字符数，本文仅涉及从设备返回数据，不涉及向设备传输数据；举例来说：我们发送INQIURY命令到设备，按照SPC-3第144页的说明，该命令返回的数据至少为36个字节，所以，此时这个字节应该填36；再如：我们读取U盘的一个扇区，如果扇区的长度是512个字节，那么这个字段就要填512。

    再下来是bmCBWFlags字段，这个字段只有bit 7有意义，为0表示要向设备传输数据，为1表示要从设备获得数据。

    bCBWLUN字段总是填0，因为绝大多数的U盘都不支持多LUN(Logical Unit Number)，只有一个逻辑单元自然好吗就是0了。

    bCBWCBLength字段是只CBW第二部分的长度，像前面举例的INQUIRY命令，长度为6个字节，则这个字段就应该填6，再如：READ(10)命令的长度是10个字节（SBC-2第42页有定义），这个字段当然要填10了。

  • 第二个要说的数据结构是CSW

    当host向device发送一个CBW后，接着就可以从device收到数据（或者发数据到device），当接受完所需的的数据后，就可以从device获得一个CSW(Command Status Wrapper)，CSW的结构如下：

    从你的U盘里读出更多的内容

    前面说过，在CBW中的dCBWSignature的值恒为：0x43425355，得到的CSW中的dCSWSignature的值为：0x53425355，dCSWTag与dCBWTag中的一致。

    在得到的CSW中，恒定有13个字节，bCSWStatus的定义如下：

    从你的U盘里读出更多的内容

三、发送命令和接收数据

我们知道USB协议中定义了三种传输方式，控制传输、批量传输、中断传输和实时传输，在《USB系列二》中我们一直都在使用控制传输，我们应该比较熟悉了，本文中将涉及批量传输。

我们在使用控制传输时，我们设置好URB启动传输事务，相应的结果将返回到制定得buffer中，批量传输没有那么简单，批量传输分为输出事务和输入事务，我们应该注意到，前面在看U盘的描述表时，在端点这一级有两个端点，一个叫OUT端点，一个叫IN端点，当我们启动一个输出事务时，一定要发送给OUT端点，当我们启动一个输入事务时，一定要发送到输入端点。下面我们简单描述一下如何启动批量传输事务。

在使用控制传输时，我们应该阅读过DOSUSB的说明，并且对URB结构比较熟悉，URB中有一个字段叫transation_type，当这个值为0x2d时为控制传输；当为0x69时为批量传输的IN事务；当为0xe1时为批量传输的OUT事务；当我们启动一个传输时，一定要正确地设置这个值。

我们以一个具体的例子来说明如何启动一个传输，我们以SCSI INQUIRY命令为了，关于这个命令的定义在SPC-3的第142页–157页有说明，篇幅很长，但绝大多数篇幅用来解释返回数据的含义，我们可以暂时不去理会。首先我们要填写CBW结构，CBW结构的第一部分的填写前面已经说的很明白了，第二部分的定义在SPC-3的第142页，共有6个字节，我们要按照定义填写好，实际上只要填两个字段，一个是OPERATION CODE = 0X12，第二个就是ALLOCATION CODE = 36，表示需要返回36个字节的内容；CBW填好后，我们开始填写URB，首先把CBW的偏移和段地址放到URB的buffer_off和buffer_seg中，把transation_type=0xe1，表示一个输出事务，注意把end_point字段一定要放OUT endpoint的地址，从前面的描述符表中看，应该是1（2是IN endpoint的地址，你的机器可能不同），其它字段的填法在《USB系列二》中已经介绍过了，填完以后调用DOSUSB，这样，一个承载着INQUIRY命令的输出事务就发送到由URB中dev_add和end_point两个字段指定的端点上去了。

接下来我们要接收device返回的执行INQUIRY命令的结果，这要启动一个输入事务，相对容易一些，只要填写URB就可以了，把transation_type=0x69，把end_point填上OUT endpoint的地址，本例中为2，buffer_off和buffer_seg指向缓冲区buffer，把buffer_length和actual_length均填为64，因为前面端点描述符表中写明包的最大长度为64，其它字段按常规填写，调用DOSUSB，在buffer中就可以得到返回的内容，按照SPC-3中对返回内容的解释即可了解设备的一些情况。

接收晚数据后，不要忘了接收CSW，方法也是启动一个输入事务，与接收数据完全相同，然后根据CSW的结构解释其含义。至此一个命令执行完毕。

四、范例

在本文的范例中，我们实现了如下内容：

  • 实现了Bulk-Only Mass Storage Reset
  • 实现了Get Max LUN
  • 实现了SCSI INQUIRY Command
  • 实现了SCSI READ CAPACITY (10) Command
  • 实现了SCSI REQUEST SENSE Command
  • 实现了SCSI TEST UNIT READY Command
  • 实现了SCSI READ (10) Command

最后的一个命令，我将从你的U盘上读出一个扇区。

最前面的两个命令，请翻阅《Universal Serial Bus Mass Storage Class - Bulk-Only Transport》第7页；INQUIRY、REQUEST SENSE、TEST UNIT READY三个命令请翻阅SPC-3的第142、221和232页；READ CAPACITY(10)和READ(10)命令，请翻阅SBC-2的第42和44页。

源代码请在下面网址下载：http://blog.whowin.net/source/reader.rar

各种概念在前面已经介绍过了，程序无非就是实现这些概念，几乎所有的代码都是围绕着填写数据结构和显示返回结果的，所以代码本身并不难，更重要的是理解数据结构中个字段的含义，这可能不得不阅读一些规范，我想我不可能比规范说的更严谨更完整。要注意的是，你使用的U盘不可能和我的完全一致，一般情况下有可能有变化的是：设备地址devAddr、输出端点地址outEndpoint和输入端点地址inEndpoint，所以在编译程序之前一定要使用《USB系列之二》中的方法仔细查看一下你的U盘的各种描述符表，如果这些值和我的U盘不同，请在主程序开始的地方，更改这几个变量；另外，在主程序6th step中，scsiRead10(0)，传递给scsiRead10的参数为0，含义是从LBA（Logical Block Address）为0的地方读取一个扇区，如果你向读取其它扇区，可以更改这个值，其最大值我们在实现 READ CAPACITY时已经读出了，可以参考；此外，注意CBW的字符顺序是little endian，所以我们在填写LBA和读取最大LBA时都做了相应的转换。

好了，应该没有什么了！

Enjoy it.