4. USB 枚举过程：设备连接、复位、地址分配、获取描述符、配置选择

USB 枚举是主机（Host）识别并配置一个新接入设备的过程。对于嵌入式 EHCI 控制器驱动而言，枚举过程是软件栈与硬件寄存器交互最密集的阶段。本章将详细拆解枚举的五个核心步骤，并给出对应的驱动实现要点。

4.1 枚举全流程概览

当设备插入 USB 端口后，主机控制器（EHCI）与设备控制器之间通过一系列标准请求完成身份识别与资源分配。下表总结了枚举各阶段的主要动作与数据流向：

4.2 设备连接检测

EHCI 控制器通过 PORTSC（Port Status and Control） 寄存器监控每个端口的状态。当设备插入时，D+/D- 信号线上的电平变化会被硬件捕获，并置位 PORTSC 中的 Connect Status Change（CSC） 位。

驱动在中断处理函数中轮询或响应端口状态变化：

/* 伪代码：检测端口连接 */
void ehci_port_connect_handler(struct ehci_hcd *ehci, int port) {
    uint32_t portsc = ehci_readl(&ehci->regs->portsc[port]);

    if (portsc & PORTSC_CSC) {
        /* 清除连接状态变化标志 */
        ehci_writel(&ehci->regs->portsc[port], portsc | PORTSC_CSC);

        if (portsc & PORTSC_CCS) {
            /* 设备已连接 */
            dev_info(ehci->dev, "Port %d: device connected\n", port);
            /* 触发后续复位流程 */
            ehci_port_reset(ehci, port);
        } else {
            /* 设备断开 */
            dev_info(ehci->dev, "Port %d: device disconnected\n", port);
            /* 清理设备资源 */
        }
    }
}

4.3 设备复位

复位是枚举中最关键的硬件操作之一。主机通过设置 PORTSC 寄存器的 Port Reset（PR） 位，向设备发送至少 10ms 的复位信号。复位完成后，设备进入默认状态（地址为 0），并准备好接收控制传输。

复位时序必须严格遵循 USB 2.0 规范：

/* 伪代码：端口复位 */
void ehci_port_reset(struct ehci_hcd *ehci, int port) {
    uint32_t portsc;

    /* 置位复位位 */
    portsc = ehci_readl(&ehci->regs->portsc[port]);
    ehci_writel(&ehci->regs->portsc[port], portsc | PORTSC_PR);

    /* 等待至少 10ms（规范要求 10ms ~ 20ms） */
    mdelay(10);

    /* 清除复位位 */
    portsc = ehci_readl(&ehci->regs->portsc[port]);
    ehci_writel(&ehci->regs->portsc[port], portsc & ~PORTSC_PR);

    /* 等待复位完成（硬件自动清除 PR 位） */
    while (ehci_readl(&ehci->regs->portsc[port]) & PORTSC_PR) {
        udelay(1);
    }

    /* 复位完成后，设备速度已确定，读取速度指示位 */
    portsc = ehci_readl(&ehci->regs->portsc[port]);
    if (portsc & PORTSC_HSP) {
        dev_info(ehci->dev, "Port %d: High-Speed device\n", port);
    } else {
        dev_info(ehci->dev, "Port %d: Full-Speed device\n", port);
    }
}

4.4 地址分配

复位完成后，设备处于默认地址（0）。主机通过控制传输（端点 0）发送 SET_ADDRESS 标准请求，为设备分配一个唯一的地址（1~127）。

SET_ADDRESS 请求的 Setup 包结构如下：

/* 伪代码：发送 SET_ADDRESS */
int usb_set_address(struct usb_device *dev, int address) {
    struct usb_ctrlrequest req;

    req.bRequestType = 0x00;
    req.bRequest = USB_REQ_SET_ADDRESS;
    req.wValue = cpu_to_le16(address);
    req.wIndex = 0;
    req.wLength = 0;

    /* 通过 EHCI 的控制传输函数发送 */
    return ehci_control_transfer(dev, &req, NULL, 0);
}

4.5 获取描述符

地址分配完成后，主机通过 GET_DESCRIPTOR 请求获取设备的描述符信息。描述符是 USB 设备的“身份证”，包含设备类型、端点数量、供电方式等关键信息。

获取描述符的典型顺序：

1. 设备描述符（Device Descriptor）：先读取前 8 字节，获取最大包长度（bMaxPacketSize0）。
2. 配置描述符（Configuration Descriptor）：读取完整配置描述符，包括接口和端点描述符。
3. 字符串描述符（String Descriptor）：可选，用于获取厂商/产品字符串。

设备描述符结构（USB 2.0 规范）：

struct usb_device_descriptor {
    uint8_t  bLength;            /* 描述符长度（18 字节） */
    uint8_t  bDescriptorType;    /* 描述符类型（0x01） */
    uint16_t bcdUSB;             /* USB 规范版本号（BCD 码） */
    uint8_t  bDeviceClass;       /* 设备类代码 */
    uint8_t  bDeviceSubClass;    /* 设备子类代码 */
    uint8_t  bDeviceProtocol;    /* 设备协议代码 */
    uint8_t  bMaxPacketSize0;    /* 端点 0 最大包长度 */
    uint16_t idVendor;           /* 厂商 ID */
    uint16_t idProduct;          /* 产品 ID */
    uint16_t bcdDevice;          /* 设备版本号 */
    uint8_t  iManufacturer;      /* 厂商字符串描述符索引 */
    uint8_t  iProduct;           /* 产品字符串描述符索引 */
    uint8_t  iSerialNumber;      /* 序列号字符串描述符索引 */
    uint8_t  bNumConfigurations; /* 配置描述符数量 */
} __attribute__((packed));

4.6 配置选择

获取并解析配置描述符后，主机选择最合适的配置（通常为第一个配置）。通过发送 SET_CONFIGURATION 请求，设备进入配置状态（Configured State），此时所有端点（Endpoint）才真正可用。

SET_CONFIGURATION 请求的 Setup 包：

/* 伪代码：选择配置 */
int usb_set_configuration(struct usb_device *dev, int config_value) {
    struct usb_ctrlrequest req;

    req.bRequestType = 0x00;
    req.bRequest = USB_REQ_SET_CONFIGURATION;
    req.wValue = cpu_to_le16(config_value);
    req.wIndex = 0;
    req.wLength = 0;

    return ehci_control_transfer(dev, &req, NULL, 0);
}

4.7 枚举状态机与 EHCI 交互

整个枚举过程可以抽象为一个有限状态机（FSM）。下面的 SVG 图展示了从设备插入到配置完成的完整状态转换：

4.8 枚举过程中的常见问题与调试

在嵌入式系统中，枚举失败是 USB 驱动调试中最常见的问题。下表总结了典型故障现象及其根因：

4.9 本章小结

USB 枚举是主机与设备建立通信的基础，涉及硬件状态检测、控制传输、描述符解析等多个环节。对于 EHCI 控制器驱动开发者而言，需要重点关注：

• 端口操作：正确读写 PORTSC 寄存器，处理连接/断开/复位/速度检测。
• 控制传输：构造 Setup 包，通过 EHCI 的异步列表（Async List）调度传输。
• 描述符解析：严格按照 USB 规范解析二进制描述符数据，处理字节序对齐。
• 状态管理：维护设备状态机，处理枚举失败时的回退与重试逻辑。

掌握枚举流程后，下一阶段将深入 EHCI 控制器的传输调度机制，包括周期性列表（Periodic List）与异步列表（Async List）的管理。