USB Mass Storage协议分析

目录

  1. 简介
  2. 指令数据和状态协议
    1. CBW指令格式
    2. CSWCommand Status Wrapper状态格式
  3. SCSI命令集
    1. Format Unit
    2. Inquiry
    3. MODE SELECT

简介

USB Mass storage Device协议即海量存储设备协议适用于硬盘，U盘等大容量存储设备。协议使用的接口端点有BulkIn、BulkOut和Interrupt端点。该设备类又包含6个独立的子类以及3种传输协议。

bInterfaceSubClass 命令集 描述
01h RBC 通常，FlashDevice使用RBC，事实上所有大容量存储设备都可使用RBC
02h SFF-8020i,MMC-2(ATAPI) 适用硬盘，C/DVD
03h QIC-157 适用磁盘
04h UFI 适用软盘
05h SFF-8070i 适用移动存储设备
06h SCSI 目前绝大多数USB Mass Storage设备都使用SCSI指令集
bInterfaceProtocol 协议实现 描述
00h Control/Bulk/Interrupt protocol（含命令完成中断） USB海量存储类CBI传输，只适用于全速
01h Control/Bulk/Interrupt protocol（不含命令完成中断） USB海量存储类CBI传输，只适用于全速
50h Bulk-Only传输 Bulk-Only传输

本文仅介绍SCSI子类下Bulk-Only的传输协议，我们手中的U盘就是遵循SCSI协议的。要知道U盘不仅仅是USB设备，它还是一种存储设备，类似硬盘，USB协议本身没有定义对存储设备操作的指令，所以需要通过SCSI来完成读写等操作。关于此类设备的描述符不再赘述，需要注意的是在interface描述符中：

  • bInterfaceClass = 0x08
  • bInterfaceSubClass = 0x06
  • bInterfaceProtocol = 0x50

指令、数据和状态协议

CBW指令格式

CBW（Command Block Wrapper）的长度为31个字节，具体定义如下图：

  • dCBWSignature: 
            CBW的标识，固定值：43425355h (little endian)。
  • dCBWTag: 
            主机发送的一个命令块标识，设备需要原样作为dCSWTag（CSW中的一部分）再发送给Host;主要用于关联CSW到对应的CBW。 
  • dCBWDataTransferLength: 
            本次CBW命令要求在命令与回应之间传输的字节数。如果为0，则不传输数据。
  • bmCBWFlags: 
            反映数据传输的方向，0x00 表示来自Host，0x80 表示发至Host； 
  • bCBWLUN: 
            对于有多个LUN逻辑单元的设备，用来选择具体目标。如果没有多个LUN，则写0。
  • bCBWCBLength: 
            命令的长度，范围在0~16.
  • CBWCB: 
            传输的具体命令，符合bInterfaceSubClass.中定义的命令规范，此处是SCSI指令集
CSW（Command Status Wrapper）状态格式

CSW的长度为13个字节，是对应CBW指令的状态返回，它指示了上一条指令执行是否成功，具体定义如下：

  • dCSWSignature: 
            CSW的标识，固定值：53425355h (little endian)
  • dCSWTag: 
            设置这个标识和CBW中的dCBWTag一致，参照上面关于dCBWTag的解释
  • dCSWDataResidue: 
            还需要传送的数据，此数据根据dCBWDataTransferLength－本次已经传送的数据得到 
  • bCSWStatus: 
            指示命令的执行状态。如果命令正确执行，bCSWStatus 返回0 ，不正确返回1，phase错返回2（当HOST收到此错误时需要对Device复位）

SCSI命令集

SCSI（Small Computer System Interface）的指令集有很多，参考http://en.wikipedia.org/wiki/SCSI_command ，其中USB Mass Storage主要用到的指令有：

  • 04H Format Unit：格式化存储设备
  • 12H Inquiry：获取设备信息
  • 55H Mode Select：HOST用来设置外设参数
  • 5AH Mode Sense：返回参数
  • 28H/A8H Read(10)/Read(12)：从设备读取数据
  • 25H Read Capacity：读取设备容量
  • 23H Read Format Capacity：读取当前设备容量和可格式化的容量
  • 1EH Prevent/Allow Medium Removal：写保护
  • 03H Request Sense：获取状态信息
  • 2BH Seek(10)：为设备分配地址
  • 1DH Send Diagnostic：硬件复位并执行诊断
  • 00H Test Unit Ready：查询设备是否ready
  • 2AH/AA Write(10)/Write(12)：写数据到存储设备
  • 2EH Write and Verify：写数据到存储设备并校验
Format Unit

Bit Byte
7
6
5
4
3
2
1
0

0
04H

1
LUN
FmtData
CmpList
Defect List Format

2
Vendor-specific

3
Interleave (MSB)

4
Interleave (LSB)

5—6
保留

7
Parameter List Length (MSB)

8
Parameter List Length (LSB)
  • Interleave:默认为0，对于USB-FDU此值为1
  • Parameter List Length:参数列表长度，典型值为12bytes,Host发出Format命令后紧接着发参数

Parameter List


Bit Byte
7
6
5
4
3
2
1
0

0
Reserved

1
FOV
Extend(0)
DCRT(1)
SingleTrack
Reserved
Immediate
Side

2
Defect List Length (MSB) (0)

3
Defect List Length (LSB) (8)

4—7
MSB                        Number of Blocks

8
Reserved

9—11
MSB                        Block Length
  • FOV：当DCRT或Immediate置1时，此位也须置1
  • DCRT：置1表示无需对盘符进行认证，须置1
  • SingleTrack：置1表示只对指定Format Unit命令指定的Track格式化
  • Immediate：置1时，device必须立刻返回状态信息，不支持UFI设备
  • Side：对SingleTrack有效，置1从顶部开始格式化，置0从底部开始格式化

注意：Number of Block和Block Length的值要与Read Format Capacity的返回相匹配

Inquiry

Bit

Byte
7
6
5
4
3
2
1
0

0
12H

1
LUN
Reserved
EVPD(0)

2
Page Code

3
Reserved

4
MSB                        Allocation Length

5—11
Reserved
  • Page Code:需要查询的页码，对于UFI设备仅支持00H
  • Allocation Length：定义了需要查询和返回的最大字节数

标准INQUIRY返回数据


Bit

Byte
7
6
5
4
3
2
1
0

0
Reserved
Peripheral Device Type

1
RMB
Reserved

2
ISO Version(00h)
ECMA Version(00h)
ANSI Version (00h)

3
Reserved
Response Data Format

4
Additional Length (31)

5—7
Reserved

8—15
Vendor Information

16—31
Product Identification

32—35
Product Revision Level
  • Peripheral Device Type：标识当前连接逻辑单元的类型，00H为直接存储设备，05H为光盘
  • RMB(Removable Media Bit)：置1表示是可移除设备
  • Response Data Format：UFI设备置1
  • Additional Length：参数长度，UFI设备此值为1FH
MODE SELECT

Bit

Byte
7
6
5
4
3
2
1
0

0
55H

1
LUN
PF
Reserved
SP

2—6
Reserved

7—8
MSB                       Parameter List Length

9—11
Reserved
  • PF：UFI设备置1
  • SP(Save Pages)：UFI设备不支持
  • Parameter List Length：参数长度

MODE SENSE


Bit

Byte
7
6
5
4
3
2
1
0

0
5AH

1
LUN
Reserved
DBD
Reserved

2
PC
Page Code

3—6
Reserved

7—8
MSB                       Parameter List Length

9—11
Reserved
    • DBD - Disable Block Descriptors - if "1" then the target must not return any block descriptors
    • PC - Page control -
      • 00 - return current values
      • 01 - return changeable values
      • 10 - return default values
      • 11 - return saved values
    • Page Code - 参考 SCSI mode pages

      PREVENT-ALLOW MEDIUM REMOVAL


      Bit

      Byte
      7
      6
      5
      4
      3
      2
      1
      0

      0
      1EH

      1
      LUN
      Reserved

      2-3
      Reserved

      4
      Reserved
      Prevent

      5-11
      Reserved

      Prevent：置1表示禁止移除设备

      READ(10)


      Bit

      Byte
      7
      6
      5
      4
      3
      2
      1
      0

      0
      28H

      1
      LUN
      DPO(0)
      FUA(0)
      Reserved
      RelAdr(0)

      2-5
      Logical Block Address

      6
      Reserved

      7—8
      MSB                       Transfer Length

      9—11
      Reserved

      READ(12) A8H的Transfer Length为32位，从6-9字节

      READ CAPACITY


      Bit

      Byte
      7
      6
      5
      4
      3
      2
      1
      0

      0
      25H

      1
      LUN
      Reserved
      RelAdr(0)

      2-5
      Logical Block Address(0)

      6-7
      Reserved

      8
      Reserved
      PMI(0)

      9—11
      Reserved

      此命令返回8个字节，0-3表示最后一个逻辑块的地址，4-7表示每个逻辑块的长度

      READ FORMAT CAPACITIES


      Bit

      Byte
      7
      6
      5
      4
      3
      2
      1
      0

      0
      23H

      1
      LUN
      Reserved

      2-6
      Reserved

      7-8
      Allocation Length

      9-11
      Reserved

      Allocation Length：定义了HOST能够接收的最大格式化数据长度

      REQUEST SENSE


      Bit

      Byte
      7
      6
      5
      4
      3
      2
      1
      0

      0
      03H

      1
      LUN
      Reserved

      2-3
      Reserved

      4
      Allocation Length

      5-11
      Reserved

      Allocation Length：定义了HOST能够接收的最大格式化数据长度

      HOST每发送完一个命令，device都会通过REQUEST SENSE返回该条指令的执行结果，sense data的长度为18字节。

      标准sense data


      Bit Byte
      7
      6
      5
      4
      3
      2
      1
      0

      0
      Valid
      Error Code (70h)

      1
      Reserved

      2
      Reserved
      Sense Key

      3-6
      Information

      7
      Additional Sense Length (0AH)

      8-11
      Reserved

      12
      Additional Sense Code (Mandatory)

      13
      Additional Sense Code Qualifier (Mandatory)

      14-17
      Reserved

      Valid：表示Information域是否有效

      Information：表示出错的逻辑块地址

      SEEK


      Bit

      Byte
      7
      6
      5
      4
      3
      2
      1
      0

      0
      2BH

      1
      LUN
      Reserved

      2-5
      Logical Block Address

      6-11
      Reserved

      SEND DIAGNOSTIC


      Bit

      Byte
      7
      6
      5
      4
      3
      2
      1
      0

      0
      1DH

      1
      LUN
      PF
      Reserved
      SelfTest
      DefOfl
      UnitOfl

      2-11
      Reserved

      SelfTest：置1表示执行默认的自检，置0表示执行特殊的自检

      TEST UNIT READY


      Bit

      Byte
      7
      6
      5
      4
      3
      2
      1
      0

      0
      00H

      1
      LUN
      Reserved

      2-11
      Reserved

      VERIFY


      Bit

      Byte
      7
      6
      5
      4
      3
      2
      1
      0

      0
      2FH

      1
      LUN
      DPO(0)
      Reserved
      ByteChk(0)
      RelAdr(0)

      2-5
      Logical Block Address

      6
      Reserved

      7-8
      Verification Length

      9-11
      Reserved

      Logical Block Address：验证的起始地址

      Verification Length：验证数据的长度

      WRITE(10)


      Bit

      Byte
      7
      6
      5
      4
      3
      2
      1
      0

      0
      2AH

      1
      LUN
      DPO(0)
      FUA(0)
      Reserved
      RelAdr(0)

      2-5
      Logical Block Address

      6
      Reserved

      7-8
      Transfer Length

      9-11
      Reserved

      WRITE(12) AAH的Transfer Length为32位，从6-9字节

      WRITE AND VERIFY


      Bit

      Byte
      7
      6
      5
      4
      3
      2
      1
      0

      0
      2EH

      1
      LUN
      DPO(0)
      Reserved
      ByteChk

      (0)
      RelAdr(0)

      2-5
      Logical Block Address

      6
      Reserved

      7-8
      Transfer Length

      9-11
      Reserved
时间： 2024-10-09 16:45:38

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