USB通信协议C++demo

USB（Universal Serial Bus）通信协议是一种广泛应用于计算机和外部设备之间的串行通信协议，具有热插拔、即插即用、高速传输等特点。

基本架构

• 主机：通常是计算机或其他具有USB主机控制器的设备，负责管理和控制USB总线上的所有通信。
• 设备：连接到USB总线上的各种外部设备，如鼠标、键盘、打印机、U盘等。每个设备都有唯一的地址和设备描述符，用于向主机标识自己的功能和特性。
• 集线器：用于扩展USB接口数量，允许多个设备连接到同一个USB总线上。集线器可以是内置在主机中的，也可以是独立的外部设备。

数据传输类型

• 控制传输：主要用于主机与设备之间的配置、命令和状态信息的传输。例如，当设备插入USB接口时，主机通过控制传输获取设备的描述符，了解设备的功能和需求，并对设备进行配置。
• 批量传输：适用于大量数据的传输，如U盘的数据读写。这种传输类型具有较高的数据传输效率，但不保证实时性，数据会在总线上排队等待传输。
• 中断传输：通常用于需要及时响应的设备，如鼠标和键盘。设备会定期向主机发送中断请求，主机在收到请求后会立即处理，以保证设备的实时性。
• 等时传输：用于对时间要求严格的实时数据传输，如音频和视频数据。它以固定的时间间隔传输数据，保证数据的连续性和实时性，但不保证数据的准确性，可能会出现少量的数据丢失或错误。

传输过程

• 建立连接：当设备插入USB接口时，主机通过检测USB总线上的电平变化来发现新设备，并通过一系列的控制传输来获取设备的描述符，进行设备枚举和配置，为设备分配地址和资源。
• 数据传输：在设备配置完成后，主机和设备之间就可以进行数据传输了。根据不同的传输类型，数据会按照相应的协议格式进行打包和传输。例如，批量传输的数据会被分成多个数据包，每个数据包包含数据和相关的控制信息，然后通过USB总线发送到目标设备。
• 传输结束：当数据传输完成后，主机或设备会发送相应的结束信号，通知对方传输结束。设备可以选择继续保持连接，等待下一次数据传输，也可以断开连接，节省能源。

数据包格式

• 令牌包：用于标识数据传输的类型、方向和设备地址等信息，是数据传输的起始标志。常见的令牌包有输入令牌包（IN）、输出令牌包（OUT）和设置令牌包（SETUP）等。
• 数据包：包含实际要传输的数据内容。根据传输类型和数据量的不同，数据包的大小和格式也有所不同。例如，批量传输的数据包可以包含多个字节的数据，而控制传输的数据包通常较小，只包含一些命令和参数。
• 握手包：用于确认数据的接收和传输状态。常见的握手包有确认包（ACK）、否定确认包（NAK）和错误包（STALL）等。当设备成功接收到数据时，会发送ACK包给主机；如果数据接收错误或设备忙，则发送NAK包；如果设备出现严重错误，无法继续传输，则发送STALL包。

电源管理

• USB总线为设备提供电源：设备可以从USB总线上获取电力，以满足其工作需求。根据USB标准，每个USB端口可以提供一定的电流，如USB 2.0端口通常可以提供500mA的电流，USB 3.0端口可以提供900mA的电流。
• 设备的电源管理：设备可以根据自身的工作状态和需求，向主机请求不同的电源模式，如待机、睡眠和唤醒等。主机也可以通过发送电源管理命令来控制设备的电源状态，以节省能源。

以下是一个使用 libusb 库实现简单 USB 通信的 C++ 示例代码。libusb 是一个跨平台的库，用于访问 USB 设备。

代码示例

#include <iostream>
#include <libusb-1.0/libusb.h>

#define VENDOR_ID 0xXXXX  // 替换为实际的厂商 ID
#define PRODUCT_ID 0xXXXX // 替换为实际的产品 ID

int main() {
    libusb_context *ctx = NULL;
    libusb_device_handle *dev_handle = NULL;
    int r;

    // 初始化 libusb
    r = libusb_init(&ctx);
    if (r < 0) {
        std::cerr << "初始化 libusb 失败: " << libusb_error_name(r) << std::endl;
        return 1;
    }

    // 打开指定的 USB 设备
    dev_handle = libusb_open_device_with_vid_pid(ctx, VENDOR_ID, PRODUCT_ID);
    if (dev_handle == NULL) {
        std::cerr << "无法打开 USB 设备" << std::endl;
        libusb_exit(ctx);
        return 1;
    }

    // 检查设备是否已被内核驱动占用，如果是则释放
    if (libusb_kernel_driver_active(dev_handle, 0) == 1) {
        r = libusb_detach_kernel_driver(dev_handle, 0);
        if (r < 0) {
            std::cerr << "无法释放内核驱动: " << libusb_error_name(r) << std::endl;
            libusb_close(dev_handle);
            libusb_exit(ctx);
            return 1;
        }
    }

    // 声明接口
    r = libusb_claim_interface(dev_handle, 0);
    if (r < 0) {
        std::cerr << "无法声明接口: " << libusb_error_name(r) << std::endl;
        libusb_close(dev_handle);
        libusb_exit(ctx);
        return 1;
    }

    // 发送数据
    unsigned char data_to_send[] = {0x01, 0x02, 0x03, 0x04};
    int transferred;
    r = libusb_bulk_transfer(dev_handle, 0x01, data_to_send, sizeof(data_to_send), &transferred, 5000);
    if (r < 0) {
        std::cerr << "数据发送失败: " << libusb_error_name(r) << std::endl;
    } else {
        std::cout << "成功发送 " << transferred << " 字节数据" << std::endl;
    }

    // 接收数据
    unsigned char received_data[64];
    r = libusb_bulk_transfer(dev_handle, 0x81, received_data, sizeof(received_data), &transferred, 5000);
    if (r < 0) {
        std::cerr << "数据接收失败: " << libusb_error_name(r) << std::endl;
    } else {
        std::cout << "成功接收 " << transferred << " 字节数据: ";
        for (int i = 0; i < transferred; ++i) {
            std::cout << std::hex << static_cast<int>(received_data[i]) << " ";
        }
        std::cout << std::endl;
    }

    // 释放接口
    libusb_release_interface(dev_handle, 0);

    // 关闭设备
    libusb_close(dev_handle);

    // 退出 libusb
    libusb_exit(ctx);

    return 0;
}    

代码解释

1. 初始化 libusb：调用 libusb_init 函数来初始化 libusb 库。
2. 打开 USB 设备：使用 libusb_open_device_with_vid_pid 函数根据厂商 ID 和产品 ID 打开指定的 USB 设备。
3. 释放内核驱动：检查设备是否被内核驱动占用，如果是，则使用 libusb_detach_kernel_driver 函数释放内核驱动。
4. 声明接口：使用 libusb_claim_interface 函数声明要使用的 USB 接口。
5. 数据传输：
   • 发送数据：使用 libusb_bulk_transfer 函数进行批量数据发送。
   • 接收数据：同样使用 libusb_bulk_transfer 函数进行批量数据接收。
6. 释放资源：
   • 使用 libusb_release_interface 函数释放之前声明的接口。
   • 使用 libusb_close 函数关闭 USB 设备。
   • 使用 libusb_exit 函数退出 libusb 库。

注意事项

• 你需要将 VENDOR_ID 和 PRODUCT_ID 替换为你实际要通信的 USB 设备的厂商 ID 和产品 ID。
• 编译代码时需要链接 libusb 库，例如使用以下命令：

g++ -o usb_demo usb_communication_demo.cpp -lusb-1.0

• 运行代码可能需要管理员权限，因为访问 USB 设备通常需要较高的权限。在 Linux 系统中，可以使用 sudo 来运行程序。