起因

系列里 EHCI 篇讲了"怎么驱动主机控制器"，键鼠篇讲了"怎么解析报表"——中间那层"USB 协议本身怎么运作"一直是背景板。这层的性格全写在出身上：九十年代中期 Intel、微软、康柏这批厂商要终结"装机开机箱拨跳线"的日子，定下的却是一条 Host 主导的主从总线——设备永远被动应答、时间切固定帧，后文的规矩几乎都能从这两条推出来。这篇把它拉到前台单独讲清：设备类是什么、四种传输类型各管什么、Host 与 Device 谁说话、鼠标的坐标和键盘的键值到底是怎么一步步传回来的、U 盘的读写又是一套什么机制。这层想通了，EHCI 和键鼠两篇的代码为什么那么写、U 盘驱动为什么长那个结构，自己就能对上号。

一、USB 的世界模型：Host 主导一切

USB 是主从式总线，规矩只有一条：Host（主机侧）发起一切通信，Device（设备侧）永远只应答。设备不会"主动通知"主机任何事情——所谓"鼠标动了，通知电脑"，真相是 Host 按固定节奏发问，设备有新数据就答，没有就回 NAK（我不说话但也没事）。

• 我们的工控板是固定的 Host 角色；键鼠、U 盘都是 Device
• Host/Device 是硬件角色不是软件姿态：OTG（On-The-Go）规范允许一个口在两种角色间切换（手机既插电脑当 U 盘、又插 U 盘读文件），工控场景用不上，但概念要分清——角色决定了谁发 token
• 时间被切成帧：全速 1ms 一帧、高速 125µs 一微帧。Host 在每帧里排班：哪些端点轮到了、控制传输进行到哪个阶段——EHCI 的周期列表和异步列表就是这张排班表的硬件化身

把"轮询而非中断"这个模型想通，USB 就懂了一半：键盘鼠标走的中断传输（Interrupt Transfer），名字里的"中断"指的是保证延迟上限，不是设备能产生中断。

二、四种传输类型

USB 按数据的要求分四种传输，端点生下来就注定属于其中一种：

控制传输的三阶段（SETUP → DATA → STATUS）是 USB 一切"配置动作"的统一格式：8 字节请求包说清"要干嘛"，数据阶段可选，状态阶段收尾——枚举的 SET_ADDRESS、HID 的 SET_PROTOCOL、U 盘的批量命令都骑在这条通道上。批量传输没有延迟保证但保证正确，U 盘读写大数据全靠它。等时传输我们用不上，不展开。

四种传输都靠握手包收口：ACK 收好、NAK 这轮没有、STALL 出问题了。STALL 要记牢——设备用它说两句话：控制传输里说"这条命令我不支持"（比如向只读盘发 WRITE），批量端点上说"我出故障了，先别理我"。STALL 之后端点挂起，必须走端点 0 发 CLEAR_FEATURE(ENDPOINT_HALT) 清掉才能继续；U 盘驱动写坏一块盘、设备失电重连，撞上的都是它，恢复路径写不写直接决定驱动健不健壮。

三、设备类：同一类设备说同一种话

USB 用**类码（Class Code）**给设备分方言，Host 按类写驱动，一份驱动通吃所有厂商的同类设备：

类信息挂在接口描述符上（设备级类声明已少见），U 盘的典型配置：接口类 0x08、子类 0x06（SCSI 透明命令集）、协议 0x50（Bulk-Only Transport）——这三个数字就是"这是一只标准 U 盘"的出生证明。

四、鼠标怎么把坐标传回来

端点配置：EP0（控制，走配置和 SET_PROTOCOL）+ 一个中断 IN 端点（bInterval = 8ms 之类）。数据通路按时间轴展开：

1. Host 每 8ms 对这个端点发一次 IN token（EHCI 周期列表排好的班）
2. 鼠标上次报表之后动过 → 回一个报表包；没动过 → 回 NAK，这一轮作废不占线
3. 报表落在 Host 给的缓冲区，驱动被"传输完成"唤醒

报表内容（Boot 协议，3 字节起步）：

1
2
3
4

byte0: 按键位图  bit0左键 bit1右键 bit2中键
byte1: dx   int8  相对位移 X（-127~127）
byte2: dy   int8  相对位移 Y
byte3: 滚轮（可选）

三个关键认知：

• 相对坐标：鼠标报的是"这 8ms 里动了多少"，不是"光标该在哪"。绝对位置由主机累积维护——这样手在桌面上无限移动、光标却停在屏幕里；触摸屏/数字化仪才用绝对坐标（另一套报表格式）
• int8 的补码：向左向上是负值，快速甩动一轮报表能跳几十像素，驱动解析时 as i8 转换不能丢（键鼠篇踩过的坑在此有源头）
• 报表是最新状态快照不是增量流水——同一轮询周期内多次移动会被合并成最后一个位移，这是"轮询模型"的天然行为

五、键盘怎么传数据

同样的中断 IN 通道，报表换成 8 字节：

1
2
3

byte0:  修饰键位图 bit0左Ctrl bit1左Shift bit2左Alt bit3左GUI bit4~7右侧对应
byte1:  保留
byte2~7: 当前按着的键的 Usage 码数组，0=空槽

和鼠标同样的三个关键认知，再加两条：

• 数组快照语义：报表回答的是"现在按着谁"，不是"谁刚按下"。按下/弹起事件要靠前后两帧对比：上帧没有这帧有 = 按下，反之 = 弹起——这是键盘驱动核心逻辑就一个双层循环的原因
• 只有 6 个槽：同时按超过 6 键，设备回 Usage 0x01（rollover），全帧作废——经典折衷，游戏玩家骂的"键位冲突"源头就在这。修饰键不占槽（在 byte0 位图里），所以 Ctrl+Shift+5 键随便组合
• 长按不会连发：设备按住不放报表内容就不变；“自动重复"是主机软件（UI 层定时器）自己实现的。SET_IDLE 是让设备连"无变化的重复报表"都省了，总线更清净
• Usage 码不是 ASCII（0x04 才是 a，0x1E 是 1），键盘布局（US/欧洲）到字符的映射表在主机侧——所以换语言布局不用换键盘

六、U 盘：三层协议叠出来的块设备

U 盘的读写比键鼠多一层，整体是三层洋葱：

1
2
3
4

应用层要读第 N 块
    ↓ SCSI 命令层：READ(10)，带 LBA 和块数
    ↓ MSC 类协议层：SCSI 命令装进 CBW，数据按方向批量传，结果装进 CSW
    ↓ USB 传输层：控制传输（配置期）+ 批量传输（数据期）

端点配置：EP0 + Bulk OUT（命令、写出数据）+ Bulk IN（读回数据、状态）。

每次读写是一个固定三段式事务（Bulk-Only Transport）：

第一段：CBW（命令块包，31 字节），Host 通过 Bulk OUT 发出：

第二段：数据阶段，按 CBW 声明的方向和长度走批量传输（读盘 = Bulk IN，写盘 = Bulk OUT）。

第三段：CSW（命令状态包，13 字节），设备通过 Bulk IN 回：

SCSI 子集一只 U 盘只需要几个命令：INQUIRY(0x12) 设备识别、READ CAPACITY(0x25) 问容量、READ(10)(0x28)/WRITE(10)(0x2A) 读写、REQUEST SENSE(0x03) 失败后问细节。tag 配对 + 状态机三段式是 MSC 驱动的全部骨架：发 CBW → 搬数据 → 收 CSW → 核对 tag → 下一事务。

七、回到我们的系统

把这篇映射回系列代码：EHCI 篇实现的是第一节那张"排班表”（周期列表=中断传输的班次，异步列表=控制/批量的通道）；键鼠篇解析的正是第四、五节的报表格式；U 盘驱动篇把第六节的 CBW/CSW 状态机 + SCSI 命令子集落成了 NVMe 篇定义的 BlockDevice——exFAT 文件系统没改一行，同时服务 NVMe 盘和 U 盘。这条链走完，分层的好处不用再讲：传输层搬运、类协议说话、块设备抽象收口。

总结

USB 的心智模型一句话：Host 排班、设备应答，一切"事件"都是轮询出来的。四种传输按需求分工——控制管配置、中断保延迟、批量保正确、等时保带宽。设备类让一份驱动通吃同类设备：键鼠（HID）靠中断传输传状态快照（鼠标是 int8 相对位移、键盘是 6 槽 Usage 数组，都要前后帧对比出事件）；U 盘（MSC）靠批量传输跑 CBW→数据→CSW 三段式，里面包着 SCSI 命令。把这篇和 EHCI、键鼠两篇叠起来读，USB 栈从控制器到报表的每一层就都透明了。

参考链接

• USB.org 规范下载——USB 2.0 规范、MSC Bulk-Only Transport、HID 类规范
• OSDev Wiki: USB / USB Mass Storage
• 本系列 EHCI 篇：USB 2.0主机控制器实战、键鼠篇：键盘与鼠标驱动实战
• 本系列第一篇：自制工业控制系统：从UEFI到内核