Linux USB 驱动开发（一）—— USB设备基础概念

对于终端用户而言，USB设备能够为主机提供各种附加功能，例如文件传输和声音播放等。然而对于USB主机而言，它与所有USB设备的接口都是一致的。一个USB设备由三个功能模块组成：USB总线接口、USB逻辑设备和功能单元。

在这里，USB总线接口指的是USB设备中的串行接口引擎（SIE）；USB逻辑设备被USB系统软件看作是一个端点的集合；而功能单元被客户软件看作是一个接口的集合。因此，SIE、端点和接口都是USB设备的组成单元。

为了更好地描述USB设备的特性，USB提出了设备架构的概念。从这个角度来看，可以认为USB设备由一些配置、接口和端点组成。具体而言，一个USB设备可以包含一个或多个配置，在每个配置中可含有一个或多个接口，在每个接口中又可包含若干个端点。这里，配置和接口是对USB设备功能的抽象，实际的数据传输由端点来完成。在使用USB设备之前，必须明确它采用的配置和接口。一般而言，这个步骤会在设备接入主机时设备进行枚举时完成。

这些单元之间的关系如下：设备通常有一个或多个配置，而配置通常又有一个或多个接口。每个接口通常又包含一个或多个设置，每个接口又有零或多个端点。

以上的概念比较抽象。为了更好地理解，可以考虑一个支持视频和音频的播放器设备。对于上述四个描述符，它们分别对应哪个描述符呢？从我的理解来看，这个设备对应一个设备描述符，支持视频功能的对应一个接口描述符，而支持音频功能的则对应另一个接口描述符。为了支持视频，下层有多个端口同时工作以提供视频数据传输支持，因此存在多个端点描述符。

USB设备使用各种描述符来说明其设备架构，包括设备描述符、配置描述符、接口描述符、端点描述符和字符串描述符，它们通常被保存在USB设备的固件程序中。

1、设备描述符

设备代表一个USB设备，它由一个或多个配置组成。设备描述符用于说明设备的总体信息，并指明其所含的配置的个数。一个USB设备只能有一个设备描述符。

1. struct usb_device_descriptor 
2. { 
3.   _ _u8 bLength; //描述符长度 
4.   _ _u8 bDescriptorType; //描述符类型编号 
5.  
6.   _ _le16 bcdUSB; //USB版本号 
7.   _ _u8 bDeviceClass; //USB分配的设备类code 
8.   _ _u8 bDeviceSubClass;// USB分配的子类code 
9.   _ _u8 bDeviceProtocol; //USB分配的协议code 
10.   _ _u8 bMaxPacketSize0; //endpoint0最大包大小 
11.   _ _le16 idVendor; //厂商编号 
12.   _ _le16 idProduct; //产品编号 
13.   _ _le16 bcdDevice; //设备出厂编号 
14.   _ _u8 iManufacturer; //描述厂商字符串的索引 
15.   _ _u8 iProduct; //描述产品字符串的索引 
16.   _ _u8 iSerialNumber; //描述设备序列号字符串的索引 
17.   _ _u8 bNumConfigurations; //可能的配置数量 
18. } _ _attribute_ _ ((packed)); 

2、配置描述符

​ 一个USB设备可以包含一个或多个配置，如USB设备的低功耗模式和高功耗模式可分别对应一个配置。在使用USB设备前，必须为其选择一个合适的配置。配置描述符用于说明USB设备中各个配置的特性，如配置所含接口的个数等。USB设备的每一个配置都必须有一个配置描述符。3

1. struct usb_config_descriptor 
2. { 
3.   _ _u8 bLength; //描述符长度 
4.   _ _u8 bDescriptorType; //描述符类型编号 
5.    
6.   _ _le16 wTotalLength; //配置所返回的所有数据的大小 
7.   _ _u8 bNumInterfaces; // 配置所支持的接口数 
8.   _ _u8 bConfigurationValue; //Set_Configuration命令需要的参数值 
9.   _ _u8 iConfiguration; //描述该配置的字符串的索引值 
10.   _ _u8 bmAttributes; //供电模式的选择 
11.   _ _u8 bMaxPower; //设备从总线提取的最大电流 
12. } _ _attribute_ _ ((packed)); 

3、接口描述符

一个配置可以包含一个或多个接口，例如对一个光驱来说，当用于文件传输时，使用其大容量存储接口；而当用于播放CD时，使用其音频接口。接口是端点的集合，可以包含一个或多个可替换设置，用户能够在USB处于配置状态时改变当前接口所含的个数和特性。接口描述符用于说明设备中各个接口的特性，如接口所属的设备类及其子类等。USB设备的每个接口都必须有一个接口描述符

1. 1. struct usb_interface_descriptor 
   2. { 
   3.   _ _u8 bLength;      //描述符长度 
   4.   _ _u8 bDescriptorType; //描述符类型 
   5.    
   6.   _ _u8 bInterfaceNumber;  // 接口的编号 
   7.   _ _u8 bAlternateSetting; //备用的接口描述符编号 
   8.   _ _u8 bNumEndpoints;   //该接口使用的端点数，不包括端点0 
   9.   _ _u8 bInterfaceClass;  //接口类型 
   10.   _ _u8 bInterfaceSubClass; //接口子类型 
   11.   _ _u8 bInterfaceProtocol; //接口所遵循的协议 
   12.   _ _u8 iInterface; //描述该接口的字符串索引值 
   13. } _ _attribute_ _ ((packed)); 
   

4、端点描述符

端点是USB设备中的实际物理单元，USB数据传输就是在主机和USB设备各个端点之间进行的。端点一般由USB接口芯片提供，例如Freescale公司的MC68HC908JB8和MC9S12UF32。USB设备中的每一个端点都有唯一的端点号，每个端点所支持的数据传输方向一般而言也是确定的：或是输入（IN），或是输出（OUT）。也有些芯片提供的端点的数据方向是可以配置的，例如MC68HC908JB8包含有两个用于数据收发的端点：端点1和端点2。其中端点1只能用于数据发送，即支持输入（IN）操作；端点2既能用于数据发送，也可用于数据接收，即支持输入（IN）和输出（OUT）操作。而MC9S12UF32具有6个端点。

利用设备地址、端点号和传输方向就可以指定一个端点，并与它进行通信。端点的传输特性还决定了其与主机通信是所采用的传输类型，例如控制端点只能使用控制传输。根据端点的不同用途，可将端点分为两类：0号端点和非0号端点。

0号端点比较特殊，它有数据输入IN和数据输出OUT两个物理单元，且只能支持控制传输。所有的USB设备都必须含有一个0号端点，用作默认控制管道。USB系统软件就是使用该管道与USB逻辑设备进行配置通信的。0号端点在USB设备上的以后就可以使用，而非0号端点必须要在配置以后才可以使用。

根据具体应用的需要，USB设备还可以含有多个除0号端点以外的其他端点。对于低速设备，其附加的端点数最多为2个；对于全速/高速设备，其附加的端点数最多为15个。

1. 1. struct usb_endpoint_descriptor 
   2. { 
   3.   _ _u8 bLength; //描述符长度 
   4.   _ _u8 bDescriptorType; //描述符类型 
   5.   _ _u8 bEndpointAddress; //端点地址：0～3位是端点号，第7位是方向(0-OUT,1-IN) 
   6.   _ _u8 bmAttributes; //端点属性：bit[0:1] 的值为00表示控制，为01表示同步，为02表示批量，为03表示中断 
   7.   _ _le16 wMaxPacketSize; //// 本端点接收或发送的最大信息包的大小 
   8.   _ _u8 bInterval;//轮询数据传送端点的时间间隔 
   9. ​              //对于批量传送的端点以及控制传送的端点，此域忽略 
   10. ​            //对于同步传送的端点，此域必须为1 
   11.   _ _u8 bRefresh; 
   12.   _ _u8 bSynchAddress; 
   13. } _ _attribute_ _ ((packed)); 
   

5、字符串描述符

在USB设备中通常还含有字符串描述符，以说明一些专用信息，如制造商的名称、设备的序列号等。它的内容以UNICODE的形式给出，且可以被客户软件所读取。对USB设备来说，字符串描述符是可选的。

1. struct usb_string_descriptor 
2. { 
3.   _ _u8 bLength; //描述符长度 
4.   _ _u8 bDescriptorType; //描述符类型 
5.    
6.   _ _le16 wData[1]; 
7. } _ _attribute_ _ ((packed)); 

6、管道

在USB系统结构中，可以认为数据传输时在USB主机软件与USB设备的各个端点之间直接进行的，它们之间的连接称为管道。管道是在USB设备的配置过程中建立的。管道是对USB主机与USB设备间通信流的抽象，表示USB主机的数据缓冲区与USB设备的端点之间存在着逻辑数据传输，而实际的数据传输是由USB总线接口层来完成的。

管道与USB设备中的端点一一对应。一个USB设备含有多少个端点，其与USB主机进行通信时就可以使用多少条管道，且端点的类型决定了管道中数据的传输类型，例如中断端点对应中断管道，且该管道只能进行中断传输。不论存在着多少条管道，在各个管道中进行的数据传输都是相互独立的。

7、USB端点分类

USB 通讯的最基本形式是通过端点。一个USB端点只能向一个方向传输数据（从主机到设备(称为输出端点)或者从设备到主机(称为输入端点)）。端点可被看作一个单向的管道。

USB 端点有 4 种不同类型, 分别具有不同的数据传送方式：

1) 控制CONTROL

控制端点被用来控制对USB设备的不同部分访问. 通常用作配置设备、获取设备信息、发送命令到设备或获取设备状态报告。这些端点通常较小。每个 USB 设备都有一个控制端点称为”端点 0″, 被 USB 核心用来在插入时配置设备。USB协议保证总有足够的带宽留给控制端点传送数据到设备.

2) 中断INTERRUPT

每当 USB 主机向设备请求数据时，中断端点以固定的速率传送小量的数据。此为USB 键盘和鼠标的主要的数据传送方法。它还用以传送数据到USB设备来控制设备。通常不用来传送大量数据。USB协议保证总有足够的带宽留给中断端点传送数据到设备.

3) 批量BULK

批量端点用以传送大量数据。这些端点通常比中断端点大得多. 它们普遍用于不能有任何数据丢失的情况。USB 协议不保证传输在特定时间范围内完成。如果总线上没有足够的空间来发送整个BULK包，它被分为多个包进行传输。这些端点普遍用于打印机、USB Mass Storage和USB网络设备上。

4) 等时ISOCHRONOUS

等时端点也批量传送大量数据, 但是这个数据不被保证能送达。这些端点用在可以处理数据丢失的设备中，并且更多依赖于保持持续的数据流。如音频和视频设备等等。

控制和批量端点用于异步数据传送，而中断和等时端点是周期性的。这意味着这些端点被设置来在固定的时间连续传送数据，USB 核心为它们保留了相应的带宽。

1. struct usb_host_endpoint{ 
2.   struct usb_endpoint_descriptor desc;//端点描述符 
3.   struct list_head urb_list;//此端点的URB对列，由USB核心维护 
4.   void *hcpriv; 
5.   struct ep_device *ep_dev; /* For sysfs info */ 
6.   unsigned char*extra;/* Extra descriptors */ 
7.   int extralen; 
8.   int enabled; 
9. }; 

 

当调用USB设备驱动调用usb_submit_urb提交urb请求时，将调用int usb_hcd_link_urb_to_ep(struct usb_hcd *hcd, struct urb *urb)把此urb增加到urb_list的尾巴上。(hcd: Host Controller Driver,对应数据结构struct usb_hcd )

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