Linux USB 驅動開發（一）—— USB設備基礎概念

在終端用戶看來，USB設備為主機提供了多種多樣的附加功能，如文件傳輸，聲音播放等，但對USB主機來說，它與所有USB設備的接口都是一致的。一個USB設備由3個功能模塊組成：USB總線接口、USB邏輯設備和功能單元：
a -- 這裡的USB總線接口指的是USB設備中的串行接口引擎（SIE）；
b -- USB邏輯設備被USB系統軟件看作是一個端點的集合；
c -- 功能單元被客戶軟件看作是一個接口的集合。SIE、端點和接口都是USB設備的組成單元；
為了更好地描述USB設備的特征，USB提出了設備架構的概念。從這個角度來看，可以認為USB設備是由一些配置、接口和端點組成，即一個USB設備可以含有一個或多個配置，在每個配置中可含有一個或多個接口，在每個接口中可含有若干個端點。其中，配置和接口是對USB設備功能的抽象，實際的數據傳輸由端點來完成。在使用USB設備前，必須指明其采用的配置和接口。這個步驟一般是在設備接入主機時設備進行枚舉時完成的
這些單元之間的關系如下：

設備通常有一個或多個配置；
配置通常有一個或多個接口；
接口通常有一個或多個設置；
接口有零或多個端點。
這樣的概念太抽象了，可以這樣看：有一個設備，如支持視頻和音頻的一個播放器。那麼，對於上面提到的4個描述符，對它們設置的時候，它們分別對於哪一個描述符呢？
從我現在的理解來看，這樣一個設備對應一個設備描述符，支持視頻的功能對應一個接口描述符，支持音頻功能的對應一個接口描述符。為了支持視頻，在下層有多個端口同時工作為提供視頻數據傳輸的支持，所以有多個端點描述符。
USB設備使用各種描述符來說明其設備架構，包括設備描述符、配置描述符、接口描述符、端點描述符和字符串描述符，他們通常被保存在USB設備的固件程序中。
1、設備描述符
設備代表一個USB設備，它由一個或多個配置組成。設備描述符用於說明設備的總體信息，並指明其所含的配置的個數。一個USB設備只能有一個設備描述符。
[cpp] view
plain copy





struct usb_device_descriptor
{
_ _u8 bLength; //描述符長度
_ _u8 bDescriptorType; //描述符類型編號
_ _le16 bcdUSB; //USB版本號
_ _u8 bDeviceClass; //USB分配的設備類code
_ _u8 bDeviceSubClass;// USB分配的子類code
_ _u8 bDeviceProtocol; //USB分配的協議code
_ _u8 bMaxPacketSize0; //endpoint0最大包大小
_ _le16 idVendor; //廠商編號
_ _le16 idProduct; //產品編號
_ _le16 bcdDevice; //設備出廠編號
_ _u8 iManufacturer; //描述廠商字符串的索引
_ _u8 iProduct; //描述產品字符串的索引
_ _u8 iSerialNumber; //描述設備序列號字符串的索引
_ _u8 bNumConfigurations; //可能的配置數量
} _ _attribute_ _ ((packed));
2、配置描述符
一個USB設備可以包含一個或多個配置，如USB設備的低功耗模式和高功耗模式可分別對應一個配置。在使用USB設備前，必須為其選擇一個合適的配置。配置描述符用於說明USB設備中各個配置的特性，如配置所含接口的個數等。USB設備的每一個配置都必須有一個配置描述符。
[cpp] view
plain copy





struct usb_config_descriptor
{
_ _u8 bLength; //描述符長度
_ _u8 bDescriptorType; //描述符類型編號
_ _le16 wTotalLength; //配置所返回的所有數據的大小
_ _u8 bNumInterfaces; // 配置所支持的接口數
_ _u8 bConfigurationValue; //Set_Configuration命令需要的參數值
_ _u8 iConfiguration; //描述該配置的字符串的索引值
_ _u8 bmAttributes; //供電模式的選擇
_ _u8 bMaxPower; //設備從總線提取的最大電流
} _ _attribute_ _ ((packed));
3、接口描述符
一個配置可以包含一個或多個接口，例如對一個光驅來說，當用於文件傳輸時，使用其大容量存儲接口；而當用於播放CD時，使用其音頻接口。接口是端點的集合，可以包含一個或多個可替換設置，用戶能夠在USB處於配置狀態時改變當前接口所含的個數和特性。接口描述符用於說明設備中各個接口的特性，如接口所屬的設備類及其子類等。USB設備的每個接口都必須有一個接口描述符
[cpp] view
plain copy





struct usb_interface_descriptor
{
_ _u8 bLength; //描述符長度
_ _u8 bDescriptorType; //描述符類型
_ _u8 bInterfaceNumber; // 接口的編號
_ _u8 bAlternateSetting; //備用的接口描述符編號
_ _u8 bNumEndpoints; //該接口使用的端點數，不包括端點0
_ _u8 bInterfaceClass; //接口類型
_ _u8 bInterfaceSubClass; //接口子類型
_ _u8 bInterfaceProtocol; //接口所遵循的協議
_ _u8 iInterface; //描述該接口的字符串索引值
} _ _attribute_ _ ((packed));
4、端點描述符
端點是USB設備中的實際物理單元，USB數據傳輸就是在主機和USB設備各個端點之間進行的。端點一般由USB接口芯片提供，例如Freescale公司的MC68HC908JB8和MC9S12UF32。USB設備中的每一個端點都有唯一的端點號，每個端點所支持的數據傳輸方向一般而言也是確定的：或是輸入（IN），或是輸出（OUT）。也有些芯片提供的端點的數據方向是可以配置的，例如MC68HC908JB8包含有兩個用於數據收發的端點：端點1和端點2。其中端點1只能用於數據發送，即支持輸入（IN）操作；端點2既能用於數據發送，也可用於數據接收，即支持輸入（IN）和輸出（OUT）操作。而MC9S12UF32具有6個端點。
利用設備地址、端點號和傳輸方向就可以指定一個端點，並與它進行通信。端點的傳輸特性還決定了其與主機通信是所采用的傳輸類型，例如控制端點只能使用控制傳輸。根據端點的不同用途，可將端點分為兩類：0號端點和非0號端點。
0號端點比較特殊，它有數據輸入IN和數據輸出OUT兩個物理單元，且只能支持控制傳輸。所有的USB設備都必須含有一個0號端點，用作默認控制管道。USB系統軟件就是使用該管道與USB邏輯設備進行配置通信的。0號端點在USB設備上的以後就可以使用，而非0號端點必須要在配置以後才可以使用。
根據具體應用的需要，USB設備還可以含有多個除0號端點以外的其他端點。對於低速設備，其附加的端點數最多為2個；對於全速/高速設備，其附加的端點數最多為15個。
[cpp] view
plain copy





struct usb_endpoint_descriptor
{
_ _u8 bLength; //描述符長度
_ _u8 bDescriptorType; //描述符類型
_ _u8 bEndpointAddress; //端點地址：0～3位是端點號，第7位是方向(0-OUT,1-IN)
_ _u8 bmAttributes; //端點屬性：bit[0:1] 的值為00表示控制，為01表示同步，為02表示批量，為03表示中斷
_ _le16 wMaxPacketSize; //// 本端點接收或發送的最大信息包的大小
_ _u8 bInterval;//輪詢數據傳送端點的時間間隔
//對於批量傳送的端點以及控制傳送的端點，此域忽略
//對於同步傳送的端點，此域必須為1
_ _u8 bRefresh;
_ _u8 bSynchAddress;
} _ _attribute_ _ ((packed));
5、字符串描述符
在USB設備中通常還含有字符串描述符，以說明一些專用信息，如制造商的名稱、設備的序列號等。它的內容以UNICODE的形式給出，且可以被客戶軟件所讀取。對USB設備來說，字符串描述符是可選的。
[cpp] view
plain copy





struct usb_string_descriptor
{
_ _u8 bLength; //描述符長度
_ _u8 bDescriptorType; //描述符類型
_ _le16 wData[1];
} _ _attribute_ _ ((packed));
6、管道
在USB系統結構中，可以認為數據傳輸時在USB主機軟件與USB設備的各個端點之間直接進行的，它們之間的連接稱為管道。管道是在USB設備的配置過程中建立的。管道是對USB主機與USB設備間通信流的抽象，表示USB主機的數據緩沖區與USB設備的端點之間存在著邏輯數據傳輸，而實際的數據傳輸是由USB總線接口層來完成的。
管道與USB設備中的端點一一對應。一個USB設備含有多少個端點，其與USB主機進行通信時就可以使用多少條管道，且端點的類型決定了管道中數據的傳輸類型，例如中斷端點對應中斷管道，且該管道只能進行中斷傳輸。不論存在著多少條管道，在各個管道中進行的數據傳輸都是相互獨立的。
7、USB端點分類
USB 通訊的最基本形式是通過端點。一個USB端點只能向一個方向傳輸數據（從主機到設備(稱為輸出端點)或者從設備到主機(稱為輸入端點)）。端點可被看作一個單向的管道。
USB 端點有 4 種不同類型, 分別具有不同的數據傳送方式：
1) 控制CONTROL
控制端點被用來控制對USB設備的不同部分訪問. 通常用作配置設備、獲取設備信息、發送命令到設備或獲取設備狀態報告。這些端點通常較小。每個 USB 設備都有一個控制端點稱為"端點 0", 被 USB 核心用來在插入時配置設備。USB協議保證總有足夠的帶寬留給控制端點傳送數據到設備.
2) 中斷INTERRUPT
每當 USB 主機向設備請求數據時，中斷端點以固定的速率傳送小量的數據。此為USB 鍵盤和鼠標的主要的數據傳送方法。它還用以傳送數據到USB設備來控制設備。通常不用來傳送大量數據。USB協議保證總有足夠的帶寬留給中斷端點傳送數據到設備.
3) 批量BULK
批量端點用以傳送大量數據。這些端點通常比中斷端點大得多. 它們普遍用於不能有任何數據丟失的情況。USB 協議不保證傳輸在特定時間范圍內完成。如果總線上沒有足夠的空間來發送整個BULK包，它被分為多個包進行傳輸。這些端點普遍用於打印機、USB Mass Storage和USB網絡設備上。
4) 等時ISOCHRONOUS
等時端點也批量傳送大量數據, 但是這個數據不被保證能送達。這些端點用在可以處理數據丟失的設備中，並且更多依賴於保持持續的數據流。如音頻和視頻設備等等。
控制和批量端點用於異步數據傳送，而中斷和等時端點是周期性的。這意味著這些端點被設置來在固定的時間連續傳送數據，USB 核心為它們保留了相應的帶寬。
[cpp] view
plain copy





struct usb_host_endpoint{
struct usb_endpoint_descriptor desc;//端點描述符
struct list_head urb_list;//此端點的URB對列，由USB核心維護
void *hcpriv;
struct ep_device *ep_dev; /* For sysfs info */
unsigned char*extra;/* Extra descriptors */
int extralen;
int enabled;
};
當調用USB設備驅動調用usb_submit_urb提交urb請求時，將調用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,對應數據結構struct
usb_hcd )