USB協(xié)議架構(gòu)及驅(qū)動架構(gòu)

1. USB協(xié)議

1.1 USB主機系統(tǒng)

在USB主機系統(tǒng)中，通過根集線器與外部USB從機設備相連的處理芯片，稱為USB主機控制器。USB主機控制器包含硬件、軟件和固件一部分。

1.2 USB設備系統(tǒng)

USB設備按功能分為兩部分：集線器(Hub)和功能部件。從下圖可知，主機通過根集線器連接到各種外圍設備(集線器和功能部件)。

1.3 主機和設備之間通信模型
????

主機與設備之間的通信模型

???????上圖展示了USB主機和USB設備之間的數(shù)據(jù)傳輸過程。在設備端，USB設備將非USB格式的數(shù)據(jù)進行打包處理，轉(zhuǎn)換成USB格式的數(shù)據(jù)包，然后傳遞到鏈路層，經(jīng)過硬件處理、傳遞到物理層，由物理層通過PHY以數(shù)據(jù)流的形式傳輸?shù)街鳈C。?

USB主機在USB設備和USB主機之間發(fā)起的傳輸過程，穩(wěn)為事務。每次事務以2到3個數(shù)據(jù)包的形式進行USB總線傳輸。每個數(shù)據(jù)包包含2到3個步驟：
?????? 1) USB主機控制器向USB設備發(fā)出命令
????? ?2) USB控制器和USB設備之間傳遞讀寫請求，其方向取決于第一部分的命令是讀還是寫
?????? 3) 握手信號。
?????????? ?USB主機控制器向USB設備發(fā)送事務類型請求，通過分組標識符來進行識別。

1.4 USB分組標識

主機和設備之間進行操作，通過分組標識(PID)來進行傳輸。數(shù)據(jù)包傳輸格式一般由：PID、數(shù)據(jù)/控制信息、CRC校驗碼組成。
??????? 常見的PID主要包括令牌、數(shù)據(jù)、握手等類型組成。PID碼以特定的方式組成，如下表所示：

PID分組碼是數(shù)據(jù)傳輸流程中的重要元素。無論硬件還是軟件，都要對PID分組碼進行分析，從而做出正確響應。USB主機和設備嚴格按照PID分組碼信息進行信息交互。

1.5 數(shù)據(jù)包傳輸模式

當USB設備連接到集線器，集線器狀態(tài)將發(fā)生相應的變化，并將狀態(tài)變化信息傳遞給USB主機。USB主機通過根集線器向USB設備發(fā)送命令，獲取USB設備的各種信息，包含USB設備傳輸類型、ID號、Product、USB速度等信息。
??? ?? USB主機和USB設備之間的數(shù)據(jù)傳輸共有四種類型：控制傳輸、批量傳輸、中斷傳輸和同頻傳輸。與之對應，USB主機和USB設備之間有四種事務：控制事務、批量事務、中斷事務和同步事務。

1.5.1 批量(Bulk)傳輸

??? 作用：主要用于非實時性傳輸，數(shù)據(jù)包較大而延時要求較低。
??? 特點：數(shù)據(jù)傳輸準備即可，采用批量傳輸模式的USB從機設備，如U盤
??? 數(shù)據(jù)傳輸分三個階段：
??? a)?令牌階段：主機發(fā)送請求，USB設備依據(jù)請求PID來判斷IN或OUT傳輸
??? b)?數(shù)據(jù)傳輸階段：依據(jù)令牌階段的IN或OUT傳輸，來決定數(shù)據(jù)傳輸為DATA0或DATA1來進行數(shù)據(jù)傳輸
??? c)?握手階段：接收信息的一方發(fā)送ACK信號以表示接收成功；若為NAK，表示發(fā)送失?。籗TALL表示不可預知的錯誤

1.5.2 控制(Control)傳輸

?????? 作用：USB傳輸過程必須支持的傳輸模式。USB主機為了獲取設備描述符、ID、Product等信息，向USB設備發(fā)送相應的PID命令。
?????? 特點：唯一可以進行IN/OUT傳輸?shù)膫鬏斈Ｊ健?br /> 數(shù)據(jù)寬度：控制傳輸方式可以以8、16、32或64字節(jié)的數(shù)據(jù)進行傳輸，這取決于設備的傳輸速度。
?????? USB主機和設備之間必須支持控制傳輸，通過端點0進行數(shù)據(jù)傳輸?？刂苽鬏敺譃榱钆?、數(shù)據(jù)傳輸和握手階段。

1.5.3 中斷傳輸事務

作用：按照一定時刻輪詢設備是否有中斷傳輸請求
特點：查詢頻率取決于端點的模式結(jié)構(gòu)，從1到255ms不等
中斷傳輸主要用于實時性要求非常高的從機設備，如鍵盤***桿和Mouse等
傳輸過程也分為令牌階段、數(shù)據(jù)傳輸和握手階段?

1.6 USB描述符

USB協(xié)議***定義了以下四種描述符：
?? 1) 設備描述符
?? 2) 配置描述符
?? 3) 接口描述符
?? 4) 端點描述符

其關系如下圖所示：

1.6.1 設備描述符

每個USB設備都有一個唯一的設備描述符，如下表所示：

1.6.2 配置描述符

每個USB設備都有默認的配置描述符，支持至少一個接口，每個配置描述符如下表：

1.6.3 接口描述符

設備應至少支持一個接口，如：塊傳輸數(shù)據(jù)接口，部分設備可能支持其它的接口。復合設備可以支持額外接口，以支持音頻和視頻功能。標準中并沒有定義此類接口。接口可能有多個可選設置，主機將會檢查每個可選的設置。

1.6.4 端點描述符

每個設備至少支持控制端點0。USB設備應該支持三類端點：控制端點、輸入端點和輸出端點。

2. OTG協(xié)議

OTG設備采用Mini-AB插座，相對于傳統(tǒng)的USB數(shù)據(jù)線，Mini-AB接口多了一根數(shù)據(jù)線ID，ID線是否接入將Mini-AB接口分為Mini-A和Mini-B接口兩種類型。在OTG設備之間數(shù)據(jù)連接的過程中，通過OTG數(shù)據(jù)線Mini-A和Mini-B接口來確定OTG設備的主從：接入Mini-A接口的設備默認為A設備(主機設備)；接入Mini-B接口的設備，默認為B設備(從設備)。

A設備和B設備無需交換電纜接口，即可通過主機交換協(xié)議(HNP)實現(xiàn)A、B設備之間的角色互換。同時，為了節(jié)省電源，OTG允許總線空閑時A設備判斷電源。此時，若B設備希望使用總線，可以通過會話請求協(xié)議(SRP)請求A設備提供電源。

2.1 HNP(主機交換)協(xié)議

當Mini-A接口接入A設備并確定A設備為主機時；若B設備希望成為主機，則A設備向B設備發(fā)送SetFeature命令，允許B設備進行主機交換。B設備檢測到總線掛起5ms后，即掛起D+并啟動HNP，使總線處于SE0狀態(tài)。此時A設備檢測到總線處于SE0狀態(tài)，即認為B設備發(fā)起主機交換，A設備進行響應。待B設備發(fā)現(xiàn)D+線為高電平而D-線為低電平(J狀態(tài))，表示A設備識別了B設備的HNP請求。B設備開始總線復位并具有總線控制權(quán)，主機交換協(xié)議完成。

2.2 SRP(會話請求)協(xié)議

對于主機，要求能響應會話請求；對于設備，僅要求能夠發(fā)起SRP協(xié)議。OTG設備，不僅要求發(fā)起SRP，而且還能響應SRP請求。
??? SRP分為數(shù)據(jù)線脈沖調(diào)制和電壓脈沖調(diào)兩種方式，B設備發(fā)起SRP必須滿足以下兩個條件：
??? 1) B設備檢測到A設備低于其有效的電壓閾值，同時B設備低于有效的電壓閾值。
??? 2) B設備必須檢測到D+和D-數(shù)據(jù)線至少在2ms的時間內(nèi)低于有效閾值，即處于SE0狀態(tài)。

數(shù)據(jù)線脈沖調(diào)制會話請求：B設備必須等到滿足以上兩個條件后，將數(shù)據(jù)線接入上拉電阻一定的時間，以備A設備過濾數(shù)據(jù)線上的瞬間電壓。與此同時，B設備上拉D+以便于在全速模式下進行初始化操作。A設備在檢測到D+變?yōu)楦唠娖交駾-變?yōu)榈碗娖綍r產(chǎn)生SRP指示信號。
????
??? Vbus脈沖調(diào)制會話請求：B設備同樣需等待滿足上述兩個初始化條件，然后B設備通過對電容充電以提高總線電壓，待達到總線上的電壓閾值，喚醒A設備。在充電過程中，一定要保證充電的電壓峰值在一定的范圍以避免燒壞A設備。

3. USB驅(qū)動架構(gòu)
?

USB驅(qū)動架構(gòu)如下圖所示：

3.1 USB主機端驅(qū)動

USB核心(USBD)是整個USB驅(qū)動的核心部分，從上圖可知，一方面USBD對接收到USB主機控制器的數(shù)據(jù)進行處理，并傳遞給上層的設備端驅(qū)動軟件；同時也接收來自上層的非USB格式數(shù)據(jù)流，進行相應的數(shù)據(jù)處理后傳遞給USB主機控制器驅(qū)動。

USB數(shù)據(jù)傳輸都以URB(USB Request Block)請求、URB生成、URB遞交、URB釋放為主線。從上圖可知，當加載控制器驅(qū)動之后，注冊根據(jù)集線器，hub和hcd驅(qū)動成為一個整體。接著，主機通過控制傳輸獲取設備的控制描述符等信息，接著詳述整個控制傳輸?shù)牧鞒獭sb_submit_urb依據(jù)是否連接到根集線器來決定調(diào)用urb_enqueue或rh_urb_enqueue函數(shù)。
??? USB從設備通過集線器或根集線器連接到USB主機上。比如：主機通過根集線器與外界進行數(shù)據(jù)交互，根集線器通過探測數(shù)據(jù)線狀態(tài)的變化來通知USB主機是否有USB外圍設備接入。

在主機端控制器驅(qū)動加載的過程中，注冊了根集線器，然后匹配了相應的hub驅(qū)動程序，同時完成了對Hub的輪詢函數(shù)和狀態(tài)處理函數(shù)的設置。這樣，一旦hub集線器的狀態(tài)發(fā)生變化，就會產(chǎn)生相應的中斷，主機端控制器就會執(zhí)行相應的中斷處理函數(shù)，下圖為hub驅(qū)動程序的流程圖。

USB Core中的usb_init()函數(shù)中完成了對hub線程(khubd，在usb_hub_init函數(shù)中真正地創(chuàng)建)的創(chuàng)建，然后完成相應設備的探測。主機端控制器驅(qū)動進行探測時，將hub驅(qū)動和主機端控制器驅(qū)動結(jié)合在一起，相互之間完成調(diào)用。 相對于大容量存儲設備與主機之間通過控制/批量傳輸，集線器與主機之間通過中斷/控制方式完成數(shù)據(jù)交互。

3.2 USB設備端驅(qū)動

從上圖可知，設備端驅(qū)動包含兩部分：
??? 1) 底層設備控制器驅(qū)動
??? 2) 上層大容量存儲類驅(qū)動

3.2.1 設備控制器驅(qū)動

USB設備控制器驅(qū)動主要實現(xiàn)Gadget API定義的函數(shù)和中斷服務函數(shù)，可按功能劃分為：API函數(shù)實現(xiàn)模塊和中斷處理模塊。
?????? API函數(shù)主要實現(xiàn)Gadget API定義的函數(shù)功能，如結(jié)構(gòu)體usb_ep_ops和usb_gadget_ops中的函數(shù)、usb_gadget_register_driver函數(shù)。這些函數(shù)是供Gadget Driver調(diào)用。
?????? 中斷處理模塊主要處理設備控制器產(chǎn)生的各種中斷，包括端點中斷、復位、掛起等中斷。

上圖為設備端控制器基本架構(gòu)，主要完成了Gadget驅(qū)動和控制器驅(qū)動綁定、usb_gadget_register_driver注冊。

3.3 OTG驅(qū)動

OS_FS: 文件系統(tǒng)
USBD: USB核心
HCD: 主機控制器驅(qū)動
UDC: 設備端控制器驅(qū)動

OTG設備支持HNP和SRP協(xié)議。OTG設備通過USB OTG電纜連接到一起，其中接Mini-A接口的設備為A設備，默認為主機端，Mini-B接口的設備默認為B設備。當A、B設備完成數(shù)據(jù)交互之后，A、B設備之間的USB OTG電纜進入掛起狀態(tài)，如下圖所示：

當B設備寫入b_bus_req，向A設備發(fā)起HNP請求。待A設備響應之后，A設備發(fā)送a_set_b_hnp_en，B設備響應之后即進入主機狀態(tài)，同時發(fā)送請求使用A設備set_device，這樣A、B設備完成主從交換。

4. USB 傳輸流程

4.1 USB初始化過程

USB驅(qū)動作為一個系統(tǒng)，集成了眾多的驅(qū)動模塊，注冊過程非常復雜。從USB系統(tǒng)的角度來說，USB主機驅(qū)動主要包含：

1) USB核驅(qū)動

2) 主機控制器驅(qū)動

3) 集線器驅(qū)動

驅(qū)動的加載執(zhí)行流程如下圖所示：

USB初始化過程
4.1.1 USB Core的初始化

USB驅(qū)動從USB子系統(tǒng)的初始化開始，USB子系統(tǒng)的初始化在文件driver/usb/core/usb.c

subsys_initcall(usb_init);??

module_exit(usb_exit);??

subsys_initcall()是一個宏，可以理解為module_init()。由于此部分代碼非常重要，開發(fā)者把它看作一個子系統(tǒng)，而不僅僅是一個模塊。USB Core這個模塊代表的不是某一個設備，而是所有USB設備賴以生存的模塊。在Linux中，像這樣一個類別的設備驅(qū)動被歸結(jié)為一個子系統(tǒng)。subsys_initcall(usb_init)告訴我們，usb_init才是真正的初始化函數(shù)，而usb_exit將是整個USB子系統(tǒng)結(jié)束時的清理函數(shù)。

4.1.2 主機控制器的初始化及驅(qū)動執(zhí)行(以EHCI為例)

module_init(otg_init); 模塊注冊
?? static init __init otg_init(void);
?? platform_driver_register(); 平臺注冊
?? static int __init otg_probe(struct platform_device *pdev); 探測處理函數(shù)
?? reg = platform_get_resource(pdev, IORESOURCE_MEM, 0); 獲取寄存器信息
?? data = platform_get_resource(pdev,IORESOURCE_MEM, 1); 獲取內(nèi)存信息
?? irq = platform_get_irq(pdev,0); 獲取中斷號
?? usb_create_hcd(&otg_hc_driver, &pdev->dev, pdev->dev.bus_id);
?? 分配和初始化HCD結(jié)構(gòu)體。對設備數(shù)據(jù)空間進行分配，初始化計數(shù)器、總線、定時器、hcd結(jié)構(gòu)體各成員值。
?? ret = usb_add_hcd(hcd,irq,SA_INTERRUPT);
?? 完成HCD結(jié)構(gòu)體的初始化和注冊。申請buffer，注冊總線、分配設備端內(nèi)存空間，向中斷向量表中申請中斷，注冊根集線器，對根集線器狀態(tài)進行輪詢。

4.1.3 注冊集線器

register_root_hub(hcd);
??? ? 在USB系統(tǒng)驅(qū)動加載的過程中，創(chuàng)建了集線器的線程(khubd)，并且一直查詢相應的線程事務。HCD驅(qū)動中，將集線器作為一個設備添加到主機控制器驅(qū)動中，然后進行集線器端口的初始化。在USB主機看來，根集線器本身也是USB主機的設備。USB主機驅(qū)動加載完成之后，即開始注冊根集線器，并且作為一個設備加載到主機驅(qū)動之中。
????? ?USB主機和USB設備之間進行數(shù)據(jù)交互，USB設備本身并沒有總線控制權(quán)，U盤被動地接收USB主機發(fā)送過來的信息并做出響應。USB主機控制器與根集線器構(gòu)成了主機系統(tǒng)，然后外接其它的USB設備。
?????? 為了更好地探測到根集線器的狀態(tài)變化，USB主機控制器驅(qū)動增加了狀態(tài)輪詢函數(shù)，以一定的時間間隔輪詢根集線器狀態(tài)是否發(fā)生變化。一旦根集線器狀態(tài)發(fā)生變化，主機控制器就會產(chǎn)生相應的響應。
???? ? USB主機和USB設備之間的數(shù)據(jù)傳輸以URB(USB Request Block)的形式進行。

4.2 URB傳輸過程

USB初始化過程中，無論是主機控制器驅(qū)動還是根集線器驅(qū)動，都是通過URB傳輸獲取設備信息。

4.2.1?申請URB

struct urb *usb_alloc_urb(int iso_packets, gfp_t mem_flags)
??? 為urb分配內(nèi)存并執(zhí)行初始化。

4.2.2 初始化URB

初始化具體的urb包

static?inline?void?usb_fill_bulk_urb(struct?urb?*urb,??

struct?usb_device?*dev,??

unsigned?int?pipe,??

void?*transfer_buffer,??

int?buffer_length,??

usb_complete_t?complete_fn,??

void?*context)??

static?inline?void?usb_fill_control_urb(struct?urb?*urb,??

struct?usb_device?*dev,??

unsigned?int?pipe,??

unsigned?char?*setup_packet,??

void?*transfer_buffer,??

int?buffer_length,??

usb_complete_t?complete_fn,??

void?*context)??

static?inline?void?usb_fill_int_urb(struct?urb?*urb,??

struct?usb_device?*dev,??

unsigned?int?pipe,??

void?*transfer_buffer,??

int?buffer_length,??

usb_complete_t?complete_fn,??

void?*context,??

int?interval)??

不同的傳輸模式下，驅(qū)動為之申請不同的URB。其中，Linux內(nèi)核只支持同步傳輸外的三種傳輸事件，ISO事務需要手工進行初始化工作?？刂苽鬏斒聞?、批量傳輸事務、中斷傳輸事務API如上所示。
????? 三種事務傳輸模式下的URB初始化函數(shù)有很多相似之處，主要參數(shù)含義如下：
????? ? urb: 事務傳輸中的urb
????? ? dev: 事務傳輸?shù)哪康脑O備
??????? pipe: USB主機與USB設備之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ǖ?br /> ????? ? transfer_buffer: 發(fā)送數(shù)據(jù)所申請的內(nèi)存緩沖區(qū)首地址
????? ? length: 發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的長度
????? ? context: complete函數(shù)的上下文
????? ? complete_fn: 調(diào)用完成函數(shù)
????? ? usb_fill_control_urb()的setup_packet: 即將被發(fā)送的設備數(shù)據(jù)包
????? ? usb_fill_int_urb()的interval: 中斷傳輸中兩個URB調(diào)度的時間間隔

4.2.3 提交URB

URB初始化完成之后，USBD開始通過usb_start_wait_urb()提交urb請求(它調(diào)用usb_submit_urb來真正的發(fā)送URB請求)，添加completition函數(shù)。
???? ?接下來，從message.c傳到主機控制器(hcd.c)，開始真正的usb_hcd_submit_urb()。此時，根據(jù)是否為根集線器，進入不同的工作隊列。
?? usb_start_wait_urb->
?? usb_submit_urb->
?? usb_hcd_submit_urb

?? a) root_hub傳輸

若為root hub，將調(diào)用rh_urb_enqueue()，共有兩種傳輸事務(控制傳輸和中斷傳輸)

static?int?rh_urb_enqueue?(struct?usb_hcd?*hcd,?struct?urb?*urb)??

{??

if?(usb_endpoint_xfer_int(&urb->ep->desc))?//?中斷傳輸??

return?rh_queue_status?(hcd,?urb);??

if?(usb_endpoint_xfer_control(&urb->ep->desc))?//?控制傳輸??

return?rh_call_control?(hcd,?urb);??

return?-EINVAL;??

}??

b) 非root_hub傳輸
?? 對于非常root_hub傳輸，它調(diào)用:
?? status = hcd->driver->urb_enqueue(hcd, urb, mem_flags);

???c) 批量傳輸
?? root_hub本身沒有批量傳輸流程，按照控制傳輸流程，控制傳輸最終要通過switch語句跳轉(zhuǎn)到Bulk-Only傳輸流程中。

?