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目录

Linux 之USB子系统(一)

1. USB基础简介

1.1 USB的传输模式

1.2 USB 的设备描述符

1.3 USB 类的定义分类

2. USB 子系统框架

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Linux 之USB子系统(一)

USB在嵌入式中使用还是非常广泛的一个接口，从本章开始将采用两个章节讲解USB子系统相关的内容，本章主要讲解一些关于USB的基础知识，USB子系统的相关架构等内容；

1. USB基础简介

USB(Universal Serial Bus（通用串行总线）) 支持设备的即插即用和热插拔功能，作为一种传输传输接口。在usb出现之前，采用的通信PC接口都非常的杂乱，扩展能力差，热插拔不支持，但是USB的出现解决了速度，扩展，易用性的特点，其主要作用：

• 多设备兼容性： USB允许多种设备（例如计算机、打印机、存储设备、摄像头等）通过同一种接口进行连接，实现了设备之间的通用性和互操作性。

• 快速数据传输： USB支持高速数据传输，使文件传输、设备同步等任务更加高效。

• 供电功能： USB接口可以为许多设备提供电力，消除了部分设备的需外部电源的需求，如充电设备和小型外设。

• 热插拔： USB支持热插拔功能，用户可以在不关机的情况下插拔设备，方便了设备的切换和连接。

• 统一连接标准： USB作为一个统一的连接标准，简化了设备之间的连接方式，减少了不同类型接口的混淆。

USB 的发展从1996年开始到今天已经过去20多年，版本已经发生了多次迭代，技术不断更新：

版本	描述	发布日期
USB 1.0	最高传输速率为1.5Mbps，使用一对一的电缆连接设备。	1996年
USB 1.1	最高传输速率为12Mbps，支持双向传输，使用一对一的电缆连接设备。	1998年
USB 2.0	最高传输速率为480Mbps，支持高速数据传输，使用一对一或菊花链连接设备。	2000年
USB 3.0	最高传输速率为5Gbps，支持超高速数据传输，使用一对一、菊花链或集线器连接设备。	2008年
USB 3.1	最高传输速率为10Gbps，支持超高速数据传输，使用一对一、菊花链或集线器连接设备。	2013年
USB Type-C	一种新型的USB接口类型，支持双面插入、更快的数据传输速度和更高的功率输出。	2014年
USB 3.2	最高传输速率为20Gbps，支持双通道传输，可向下兼容USB 3.1和USB 3.0。	2017年
USB 4.0	最高传输速率为40Gbps，支持单通道传输，可向下兼容USB 3.2和USB 2.0。	2019年

USB 体系一共分为两个角色：

USB 主模式(Host Mode)：在主机模式下，设备被设置为USB总线的控制者和管理者。主机负责管理连接到它的各种USB从设备，控制数据传输以及进行配置和初始化。主机模式的设备称为“主机”或“主机控制器”，通常是计算机或其他拥有控制能力的设备。

USB 从模式(Device Mode)：在主机模式下，设备被设置为USB总线的控制者和管理者。主机负责管理连接到它的各种USB从设备，控制数据传输以及进行配置和初始化。主机模式的设备称为“主机”或“主机控制器”，通常是计算机或其他拥有控制能力的设备。

这两种模式构成了USB通信的基础。在连接中，主机模式的设备通常为控制者，负责发起和管理通信，而从设备模式的设备则根据主机的请求响应和执行相应的操作。在最初开始USB只能作为固定的模式，没有办法切换，随着技术发展USB系统一些不足，OTG技术出现可以对USB主模式从模式进行切换。

1.1 USB的传输模式

USB的作用主要用于数据的传输以及控制，USB的传输方式一共分为四种：控制传输（Control Transfer）、中断传输（Interrupt Transfer）、批量传输（块传输）（Bulk Transfer）、实时传输（同步传输、等时传输）（Isochronous Transfer）

传输模式	特点	适用场景
控制传输 (Control Transfer)	- 可靠、低速传输 - 用于配置和控制设备，发送命令和状态信息	- 设备初始化和配置 - 设备插拔检测 - 设备控制命令发送
中断传输 (Interrupt Transfer)	- 低延迟、周期性传输 - 实时性较高，适用于快速响应设备	- 鼠标、键盘、交互式设备 - 实时响应用户输入
批量传输 (Bulk Transfer)	- 高吞吐量传输 - 适用于大容量数据传输 - 不保证实时性	- 大文件传输 - 外部硬盘驱动器 - 数据备份和恢复
实时传输 (Isochronous Transfer)	- 高实时性传输 - 固定传输速率 - 不保证数据完整性	- 音频、视频流传输 - VoIP通信 - 实时传输要求较高的应用

对于这几种传输模式都有着不一样的特点，根据不同场景进行选择。

1.2 USB 的设备描述符

USB设备描述符（Device Descriptor）是USB通信中的重要元素之一，它包含了有关USB设备的基本信息，帮助主机（通常是计算机）识别和与设备进行通信。对于设备描述来说是一个包含多个字段的数据结构，通常由设备提供。

USB设备有一下几个主要组成，设备、配置、接口、端点。每个组成部分都有专有的描述符来描述信息。

USB Device (设备)
  |
  |--- Configuration 1 (配置1)
  |      |
  |      |--- Interface 1 (接口1)
  |      |      |
  |      |      |--- Endpoint 1 (端点1)
  |      |      |
  |      |      |--- Endpoint 2 (端点2)
  |      |
  |--- Configuration 2 (配置2)
  |      |
  |      |--- Interface 2 (接口2)
  |             |
  |             |--- Endpoint 3 (端点3)
  |
  |--- ...

示意图显示了USB设备包含多个配置，每个配置包含一个或多个接口，每个接口可以包含多个端点。每个组件之间都有层次关系，主机通过解析描述符来了解设备的结构和功能，然后配置和控制通信。

这里提到的

设备描述符 ：一个设备只能有一个设备描述符，里面有一个唯一的制造商ID（idVendor）和产品ID（idProduct），它们用于唯一标识设备。这些信息包含在设备描述符中。这个造商ID（idVendor）和产品ID（idProduct）是需要想USB协会申请，各个厂商都不一样。

vim ./include/uapi/linux/usb/ch9.h

struct usb_device_descriptor {
        __u8  bLength;           // 描述符的长度，通常为18字节
        __u8  bDescriptorType;   // 描述符类型，设备描述符的类型值为1
​
        __le16 bcdUSB;           // USB规范的版本号，例如0x0200表示USB 2.0
​
        __u8  bDeviceClass;      // 设备的类别，如存储设备、音频设备等
        __u8  bDeviceSubClass;   // 设备的子类别，进一步细化设备类别
        __u8  bDeviceProtocol;   // 设备的协议，定义设备与主机通信协议
​
        __u8  bMaxPacketSize0;   // 设备端点0（默认端点）的最大包大小
​
        __le16 idVendor;         // 设备的制造商ID，由USB-IF分配
        __le16 idProduct;        // 设备的产品ID，由设备制造商分配
​
        __le16 bcdDevice;        // 设备的固件版本号
​
        __u8  iManufacturer;     // 制造商名称的字符串描述符索引
        __u8  iProduct;          // 产品名称的字符串描述符索引
        __u8  iSerialNumber;     // 序列号的字符串描述符索引
​
        __u8  bNumConfigurations; // 设备支持的配置数目
} __attribute__ ((packed));

配置描述符：一个设备描述符可以有多个配置描述符，配置描述符主要用于定义设备的不同功能或者工作模式，其中主要一些关键配置信息总功率消耗、接口数目等。

struct usb_config_descriptor {
        __u8  bLength;               // 描述符的长度，通常为9字节
        __u8  bDescriptorType;       // 描述符类型，配置描述符的类型值为2
        __le16 wTotalLength;         // 配置描述符及其相关描述符总长度，以小端序表示
        __u8  bNumInterfaces;        // 配置中包含的接口数目
        __u8  bConfigurationValue;   // 配置的值，用于唯一标识不同的配置
        __u8  iConfiguration;        // 配置字符串描述符的索引，通常指向描述配置的字符串
        __u8  bmAttributes;          // 配置的属性标志，包含了一些配置的特性信息
        __u8  bMaxPower;             // 配置所需的最大总电流消耗，以2毫安（mA）为单位
} __attribute__ ((packed));

接口描述符：一个配置描述符包含多个接口描述符，接口描述符包含了有关设备接口的信息，如接口类别、子类别、协议等。

端点描述符： 一个接口描述符包含多个端点描述符，端点描述符包含了有关设备端点（用于数据传输的通道）的信息，如端点地址、传输类型、最大包大小等。

struct usb_endpoint_descriptor {
    __u8  bLength;           // 描述符的长度，通常为7字节
    __u8  bDescriptorType;   // 描述符类型，端点描述符的类型值为5
​
    __u8  bEndpointAddress;  // 端点地址，指定端点的方向（IN或OUT）和端点号
    __u8  bmAttributes;      // 端点的属性，包括传输类型和同步类型
    __le16 wMaxPacketSize;   // 最大包大小，以字节为单位，表示端点支持的最大数据包大小
​
    __u8  bInterval;         // 端点的轮询间隔，通常用于中断传输
} __attribute__ ((packed));

字符串描述符：提供设备的可读字符串信息，例如制造商名称、产品名称、序列号等。这些字符串描述符通常用于设备的标识和用户友好的显示。当用户连接USB设备时，操作系统可以使用这些描述符来显示设备的相关信息，而不仅仅是设备的硬件ID。

struct usb_string_descriptor {
    __u8  bLength;           // 描述符的长度，以字节为单位
    __u8  bDescriptorType;   // 描述符类型，字符串描述符的类型值为3
    __le16 wData[];          // 字符串数据，以UTF-16编码表示
} __attribute__ ((packed));

1.3 USB 类的定义分类

在USB通信中，类定义（Class Definitions）是一组规范和协议，用于定义USB设备的功能和行为。这些定义确定了USB设备如何与主机操作系统和应用程序进行通信。

通俗来讲就是这个USB设备到底是属于哪一种设备，比如这个是USB耳机设备，那么它就是属于音频类，比如USB鼠标，USB键盘，那么这些就属于HID类。那么这个类到底是在哪里去定义的，是怎么规定的。

这些USB类定义都是通过一个叫做USB Implementers Forum（USB-IF）制定的，这样去确保设备的互操作和兼容性。

USB 类别	Base Class Descriptor Usage	功能	典型设备示例
Human Interface Device (HID) Class	0x03 (Human Interface Device)	键盘、鼠标、游戏控制器等人机界面设备	计算机键盘、鼠标、游戏手柄
Mass Storage Class	0x08 (Mass Storage)	USB闪存驱动器、硬盘驱动器	USB闪存驱动器、外部硬盘
Audio Class	0x01 (Audio)	音频输入和输出设备	耳机、麦克风、扬声器
Communication Device Class (CDC)	0x02 (Communication Device)	调制解调器、串口通信设备	调制解调器、串口适配器
Video Class	0x0E (Video)	摄像头、视频捕获设备	USB摄像头、视频捕获设备
Still Image Class	0x06 (Image)	静态图像设备，如数码相机	数码相机、扫描仪
Printer Class	0x07 (Printer)	打印机设备	打印机、多功能打印机
Vendor-Specific Class	0xFF (Vendor-Specific)	制造商自定义的类别	制造商特定的USB设备

还有很多并没有展现出来，可以通过USB-IF官网查询。这里举一个具体的列子来说明这个是如何去定义一个USB类的。

// 一个简化的USB设备描述符
struct usb_device_descriptor {
    __u8  bLength;
    __u8  bDescriptorType;
    __le16 bcdUSB;
    __u8  bDeviceClass;     // 这里设置设备的类别代码
    // 其他字段...
} __attribute__ ((packed));
​
// USB设备描述符的实例
struct usb_device_descriptor my_device_descriptor = {
    .bLength = sizeof(struct usb_device_descriptor),
    .bDescriptorType = USB_DT_DEVICE,
    .bcdUSB = cpu_to_le16(0x0200), // USB 2.0
    .bDeviceClass = 0x03,         // HID 设备类
    // 其他字段的初始化...
};

代码中bDeviceClass就是定义USB类，在设备描述符里面。

2. USB 子系统框架

在Linux USB子系统，包含设备，总线，驱动模型完成设备和驱动绑定。

从USB驱动模型框架如图看，主要对USB分为两种HOST和DEVICES;

HOST

• USB Device Driver: 这是主机操作系统中的驱动程序，负责与连接的USB设备进行通信。每种USB设备类型（如打印机、键盘、摄像头等）都需要相应的设备驱动程序来与主机通信。

• USB Core : USB核心是USB子系统的核心组件，它提供了USB设备的注册、管理和配置功能。它还处理USB设备的插拔事件，确保设备在连接和断开时得到适当的处理。

• USB HCD: USB HCD是与主机控制器硬件通信的驱动程序。它负责与主机控制器芯片（如USB控制器芯片）交互，管理USB总线上的数据传输和设备通信。监测外部设备插入，完成设备的枚举。

Device

Gadget Driver（Gadget驱动程序）

• Gadget Driver是针对USB设备的驱动程序，它负责管理和控制设备的USB功能。这些驱动程序通常运行在设备上，与主机交互以提供特定的USB功能，例如存储、网络、音频等。Gadget Driver使用Gadget API与USB设备控制器驱动程序（Controller Driver）通信，以便配置USB设备并处理数据传输。

Gadget API（Gadget应用程序编程接口）

• Gadget API是一组接口和函数，用于与Gadget Driver通信和控制USB设备功能。它提供了一种标准化的方式来配置和操作USB设备的功能。开发人员可以使用Gadget API编写应用程序或脚本，以控制和定制USB设备的行为。

USB Device Controller Driver（USB设备控制器驱动程序）

• USB Device Controller Driver是USB设备控制器硬件的底层驱动程序，负责与USB设备的控制器硬件通信。它管理USB总线上的数据传输和设备控制。这个驱动程序通常运行在USB设备上，确保设备与主机之间的通信正常进行。