4. USB 设备状态机：连接、上电、默认、地址、配置、挂起状态转换图

USB 设备的生命周期由一套严格定义的状态机管理。从物理连接到功能可用，设备必须依次经历 连接 (Attached)、上电 (Powered)、默认 (Default)、地址 (Address)、配置 (Configured) 五个核心状态，并可在任意时刻因总线空闲进入 挂起 (Suspended) 状态。理解这套状态机是掌握 USB 枚举流程的基石。

4.1 状态定义与转换条件

下表列出了 USB 2.0 规范定义的 6 个设备状态及其触发条件：

4.2 状态转换流程图

下图展示了 USB 设备状态机的完整转换路径，箭头上的标注为触发事件：

4.3 关键状态详解

4.3.1 默认状态与复位

设备上电后处于 上电状态，等待主机发送复位信号。主机通过将 D+ 和 D- 同时拉低至少 10ms（SE0 状态）来复位设备。复位结束后，设备进入 默认状态，此时：

• 设备地址为 0（默认地址），所有设备共享此地址进行初始通信。
• 设备响应主机在端点 0 上的控制传输请求。
• 设备的最大包长度（MaxPacketSize0）已确定（通过读取设备描述符的前 8 字节）。

4.3.2 地址状态与 SET_ADDRESS

主机在获取设备描述符后，通过控制传输发送 SET_ADDRESS 请求，为设备分配一个唯一的 1~127 之间的地址。设备在收到请求后：

1. 在状态阶段完成后立即切换到新地址。
2. 后续所有通信（包括获取配置描述符）都使用新地址。
3. 地址分配后，设备进入 地址状态，但此时尚未加载功能配置。

// SET_ADDRESS 请求格式（主机到设备）
// bmRequestType: 0x00 (主机到设备，标准请求，设备接收)
// bRequest:      0x05 (SET_ADDRESS)
// wValue:        新地址 (0x01 ~ 0x7F)
// wIndex:        0x0000
// wLength:       0x0000

// 示例：分配地址 0x12
// 令牌包: 0x00 0x05 0x0012 0x0000 0x0000
// 设备在状态阶段后切换到地址 0x12

4.3.3 配置状态与 SET_CONFIGURATION

主机读取所有配置描述符后，发送 SET_CONFIGURATION 请求，选择设备的某个配置（通常为配置 1）。设备进入 配置状态 后：

• 加载所选配置下的所有接口和端点。
• 功能接口（如 HID、Mass Storage、CDC）开始工作。
• 设备可以开始进行批量、中断或同步传输。

4.4 挂起与唤醒机制

当总线空闲超过 3ms 时，设备必须进入 挂起状态，以降低功耗。挂起状态下：

• 设备保留当前地址和配置信息。
• 设备电流消耗降至 500µA 以下（未配置时为 2.5mA）。
• 设备可通过远程唤醒信号（Resume）或主机发起的复位信号退出挂起。

挂起状态是 USB 电源管理的关键，尤其在电池供电设备中。主机通过周期性发送 SOF（帧起始包） 来防止总线空闲超过 3ms，从而避免设备意外挂起。

4.5 状态机与枚举流程的对应关系

下表将状态机转换与枚举流程中的具体步骤对应起来，方便实战调试时定位问题：