如何将我的键盘发送的“0000290000000000”解释为 USB 有效负载？答案

【问题标题】：How to interpret "0000290000000000" sent by my keyboard as USB payload?如何将我的键盘发送的“0000290000000000”解释为 USB 有效负载？
【发布时间】：2022-01-04 16:54:52
【问题描述】：

我正在尝试通过分析 Wireshark 在我的键盘上嗅探的输出来了解 USB 协议。例如，考虑这个框架：

Frame 29335: 72 bytes on wire (576 bits), 72 bytes captured (576 bits) on interface usbmon1, id 0
    Interface id: 0 (usbmon1)
    Encapsulation type: USB packets with Linux header and padding (115)
    Arrival Time: Jan  4, 2022 17:44:50.003878000 CET
    [Time shift for this packet: 0.000000000 seconds]
    Epoch Time: 1641314690.003878000 seconds
    [Time delta from previous captured frame: 0.205081000 seconds]
    [Time delta from previous displayed frame: 3.343982000 seconds]
    [Time since reference or first frame: 342.817999000 seconds]
    Frame Number: 29335
    Frame Length: 72 bytes (576 bits)
    Capture Length: 72 bytes (576 bits)
    [Frame is marked: False]
    [Frame is ignored: False]
    [Protocols in frame: usb]
USB URB
    [Source: 1.5.1]
    [Destination: host]
    URB id: 0xffff8cbe330fba80
    URB type: URB_COMPLETE ('C')
    URB transfer type: URB_INTERRUPT (0x01)
    Endpoint: 0x81, Direction: IN
    Device: 5
    URB bus id: 1
    Device setup request: not relevant ('-')
    Data: present (0)
    URB sec: 1641314690
    URB usec: 3878
    URB status: Success (0)
    URB length [bytes]: 8
    Data length [bytes]: 8
    [Request in: 29167]
    [Time from request: 3.343946000 seconds]
    [bInterfaceClass: Unknown (0xffff)]
    Unused Setup Header
    Interval: 16
    Start frame: 0
    Copy of Transfer Flags: 0x00000204, No transfer DMA map, Dir IN
    Number of ISO descriptors: 0
Leftover Capture Data: 0000290000000000

这里是相关的 lsusb 输出：

> sudo lsusb -s 001:005 -vvvvv

Bus 001 Device 005: ID 046d:c312 Logitech, Inc. DeLuxe 250 Keyboard
Device Descriptor:
  bLength                18
  bDescriptorType         1
  bcdUSB               1.10
  bDeviceClass            0 
  bDeviceSubClass         0 
  bDeviceProtocol         0 
  bMaxPacketSize0         8
  idVendor           0x046d Logitech, Inc.
  idProduct          0xc312 DeLuxe 250 Keyboard
  bcdDevice            1.01
  iManufacturer           1 LITEON Technology
  iProduct                2 USB Multimedia Keyboard
  iSerial                 0 
  bNumConfigurations      1
  Configuration Descriptor:
    bLength                 9
    bDescriptorType         2
    wTotalLength       0x0022
    bNumInterfaces          1
    bConfigurationValue     1
    iConfiguration          0 
    bmAttributes         0xa0
      (Bus Powered)
      Remote Wakeup
    MaxPower               70mA
    Interface Descriptor:
      bLength                 9
      bDescriptorType         4
      bInterfaceNumber        0
      bAlternateSetting       0
      bNumEndpoints           1
      bInterfaceClass         3 Human Interface Device
      bInterfaceSubClass      1 Boot Interface Subclass
      bInterfaceProtocol      1 Keyboard
      iInterface              0 
        HID Device Descriptor:
          bLength                 9
          bDescriptorType        33
          bcdHID               1.10
          bCountryCode            0 Not supported
          bNumDescriptors         1
          bDescriptorType        34 Report
          wDescriptorLength      65
         Report Descriptors: 
           ** UNAVAILABLE **
      Endpoint Descriptor:
        bLength                 7
        bDescriptorType         5
        bEndpointAddress     0x81  EP 1 IN
        bmAttributes            3
          Transfer Type            Interrupt
          Synch Type               None
          Usage Type               Data
        wMaxPacketSize     0x0008  1x 8 bytes
        bInterval              24
can't get debug descriptor: Resource temporarily unavailable
Device Status:     0x0000
  (Bus Powered)

“29”根据我按下的键而有所不同。如何将其映射回特定键？是否需要更多上下文来解释这个框架？

【问题讨论】：

见youtu.be/N0O5Uwc3C0o和youtu.be/2lPzTU-3ONI
您是否在 x86-64 CPU 架构上进行测试？
@user123 是的。这些有效载荷的解释是否会因此而有所不同？
我不这么认为，但 USB 控制器可能不同。在 x86-64 上，您会发现 xHC，而在 ARM 上，与硬件的标准化接口较少，因此每个主板都有自己的芯片组需要支持。它可以改变数据的解释，但我不确定具体如何。可以肯定的是，使用 xHC 而不是使用主板制造商为 ARM 制造的随机芯片组更容易解释事情是如何工作的。
但是，我在这里和那里阅读，xHCI 似乎也用于许多 ARM 计算机。

标签： usb wireshark

【解决方案1】：

USB 有效负载代表扫描码（参见此处：https://www.win.tue.nl/~aeb/linux/kbd/scancodes-1.html）。解释需要更多的上下文。

可扩展主机控制器接口 (xHCI) 定义了一个寄存器级接口以与现代系统上的 USB 交互 (https://www.intel.com/content/dam/www/public/us/en/documents/technical-specifications/extensible-host-controler-interface-usb-xhci.pdf)。正如我在这里和那里所读到的，大多数计算机（包括 ARM 计算机）都支持 xHCI 作为其 USB 主机控制器。通常，它将采用称为 xHC（英特尔术语）的 PCI-Express 设备的形式。

PCI 设备是 MMIO 和 DMA。要与 PCI 设备交互，您可以在 ACPI 表（更具体地说，MCFG）指定的常规位置写入 RAM。当您在这些常规位置写入 RAM 时，它将写入 PCI 设备的寄存器，而不是允许控制设备。 PCI 设备也可以直接在 RAM 中读/写。

xHC 具有中断传输环。软件（操作系统）会将 TD 放置在键盘中断端点的中断传输环上的适当深度。如 xHCI 规范中所述（如上链接）：

如果将多个中断 TD 发布到中断端点传输环，则 xHC 每个 ESIT 消耗的 TD 不应超过一个。

基本上，您使用值对 ESIT 进行编程。 ESIT 值告诉 xHC 不要太频繁地消耗 TD。这将允许在特定时间间隔触发传输。正确的时间间隔在 USB 设备返回的 USB 描述符中指定。

每次传输发生时，软件 (OS) 都会读取值并确定按下的键是否有任何变化。键盘是人机接口设备 (HID)，被指定为 USB 标准 (https://wiki.osdev.org/USB_Human_Interface_Devices) 的一部分。

当被要求传输数据时，USB 键盘 (HID) 返回 8 个字节（如您的示例所示）。如 osdev.org 所述：

该报告必须由软件使用中断传输每间隔毫秒请求一次，并且间隔在 USB 键盘的中断 IN 描述符中定义。 USB 键盘报告的大小可能高达 8 个字节，尽管并非所有这些字节都被使用，并且只使用前三个或四个字节来实现正确的实现是可以的（这就是我的做法。）只是为了完成，但是，我将描述键盘的完整报告机制。请注意，下面定义的报告结构仅适用于引导协议。

也许阅读 osdev.org 的 HID 文章，这会给你带来很长的路要走。因此，USB 有效负载可以被解释为在键盘的 USB 描述符中指定的以毫秒为单位的时间间隔过后，键盘发送的数据。每次有新数据进来时，新数据就是每次 ESIT 左右 xHC 查询时在键盘上按下的键。

【讨论】：