usb驱动开发1之学习准备

柔光的暖阳◎ 2022-06-02 07:51 163阅读 0赞

出处：[http://www.cnblogs.com/myblesh/p/3634702.html][http_www.cnblogs.com_myblesh_p_3634702.html]

此系列是[http://blog.csdn.net/fudan\_abc/][http_blog.csdn.net_fudan_abc]博文的整理，同时加入了自己的理解。很敬佩fudan\_abc的文章，仔细学习和分析受益很多。注：fundan\_abc所分析linux内核代码所用的版本是2.6.22.6。

Q：学习linux下的usb通信要怎样进行？

熟悉linux驱动开发，同时需要了解usb协议规范，对照linux下的usb驱动代码慢慢分析和学习

Q：为什么要开发usb？

在usb出现以前，设备接口多样化（有串口、并口等），而usb可以实现这些接口的统一和标准化，USB是为了解决速度、扩展能力、易用性应景而生的

Q：usb规范的发展经历了哪些？

Usb的发展经历了1.0、1.1、2.0（在2009年之前）三个阶段。控制器OHCI和UHCI虽然支持的都是1.1的控制器，但是支持的硬件范围不一样。每个USB2.0 控制器带有3个芯片，根据设备的识别方式将信号发送到正确的控制芯片。我们可以将1.1设备连接到2.0的控制器上使用，不过它只能达到1.1的速度。同时也可以将2.0的设备连接到1.1的控制器上，不过不能指望它能以2.0的速度运行。ehci-hcd模块支持的是USB2.0控制器的高速模式.(参考Linux对USB1.1和2.0都是支持的，通过看drivers/usb/host目录下的Kconfig文件，我们可以知道内核里支持的控制器。)

Q：usb总线拓扑什么结构？

树形结构

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Q：usb数据怎样传输？

USB大树要想茁长成长也离不开USB协议。USB总线是一个单主方式的实现，是一种轮询方式的总线。协议规定所有的数据传输都必须由主机发起，host controller初始化所有的数据传输，各种设备紧紧围绕在主机周围。

USB通信最基本的形式是通过USB设备里一个叫endpoint的端点（可以理解为硬件寄存器或者buff），而主机和endpoint之间的数据传输是通过pipe，pipe通信有两种，一种是stream，另一种是message，协议中规定：message管道要求从它那儿过的数据必须具有一定的格式，message管道必须对应两个相同号码的端点，一个用来in，一个用来out，咱们的缺省管道就是message管道，当然，与缺省管道对应的端点0就必须是两个具有同样端点号0的端点。

Q：usb数据传输有哪些类型？

USB endpoint有四种类型，分别对应了四种不同的数据传输方式。它们是控制传输（Control Transfers），中断传输（Interrupt Data Transfers），批量传输(Bulk Data Transfers)，等时传输(Isochronous Data Transfers)。从usb设备端来看，也可以把端点分为四种类型为控制端点、中断端点、批量端点、等时端点。

控制传输用来控制对USB设备不同部分的访问，通常用于配置设备，获取设备信息，发送命令到设备，或者获取设备的状态报告。总之就是用来传送控制信息的，每个USB设备都会有一个endpoint 0的控制端点，内核里的USB core使用它在设备插入时进行设备的配置，它会一种等待着USB core发送控制命令。

中断传输用来以一个固定的速率传送少量的数据，USB键盘和USB鼠标使用的就是这种方式，USB的触摸屏也是，传输的数据包含了坐标信息。

批量传输用来传输大量的数据，确保没有数据丢失，并不保证在特定的时间内完成。U盘使用的就是批量传输，咱们用它备份数据时需要确保数据不能丢，而且也不能指望它能在一个固定的比较快的时间内拷贝完。

等时传输同样用来传输大量的数据，但并不保证数据是否到达，以稳定的速率发送和接收实时的信息，对传送延迟非常敏感。显然是用于音频和视频一类的设备，这类设备期望能够有个比较稳定的数据流，比如你在网上QQ视频聊天，肯定希望每分钟传输的图像/声音速率是比较稳定的，不能说这一分钟对方看到你在向她向你深情表白，可是下一分钟却看见画面停滞在那里，只能看到你那傻样一动不动，你说这不浪费感情嘛。

Q：usb系统是怎样的一个层次？

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一个完整usb系统应该实现上图各个部分。图里主要显示了四个层次，USB物理设备（USB Physical Device）、客户软件（Client SW）、USB系统软件（USB System SW）以及USB Host Controller。Host Controller看似在最低层，却掌控着整个USB的通信，你的USB设备要想发挥作用，首先得获得它的批准；系统软件，只表示了系统里支持USB的部分，也就是系统相关设备无关的部分，相对于咱们的linux来说，就是usb core，并不包括所谓的各种设备驱动；客户软件则指设备相关，也就是对应于特定设备的部分，你的USB键盘驱动、触摸屏驱动什么的都在这儿（专业来看，不能将客户软件简单理解为上层应用，这里和我们平时使用的客户端应用软件不同）。

有人会问？为什么要分为这样的三层？真的有三层吗？

其实，从linux内核代码看，Host部分确实机分这三层，至于设备分这三个层次完全是为了配合host（前面说过USB总线是一个单主方式的实现，所以设备层次不得不配合host）。因此，站在不同的高度看到不同的风景，Host Controller看到的是一个个hub还有hub上的USB device，而在系统软件的眼里，看到的是逻辑设备（站在不同的高度理解），客户软件看到的是设备提供的功能。

Q：主机和设备连接是什么样子？

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在USB的世界里，不仅仅有compound device，还有composite device，compound device是那些将hub和连在hub上的设备封装在一起所组成的设备，而composite device是包含彼此独立的多个接口的设备。从主机的角度看，一个compound device和单独的一个hub然后连接了多个USB设备是一样的，它里面包含的hub和各个设备都会有自己独立的地址，而一个composite device里不管具有多少接口，它都只有一个地址。上述是站在host controller的层次。

而对于系统软件来说，没有这么复杂，所有的hub和设备都是一个个的逻辑设备。站的越高，看的越远，往往如此简单。

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一个USB逻辑设备就是一系列端点（endpoint）的集合，它与主机之间的通信发生在主机上的一个缓冲区和设备上的一个端点之间，通过管道来传输数据。意思就是管道的一端是主机上的一个缓冲区，一端是设备上的端点。

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最后，从协议规范中贴上一个更加详细的图

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Pipe

USB的pipe的两端分别指的是USB host端的内存区域，和设备端的endpoint。

pipe分为两类，一类是stream pipe, 另一类是message pipe。

两类的主要区别是，message pipe发送的数据，都是usb协议里规定好的结构，而steam pipe发送的数据则没有什么要求。

还有一个重要的概念就是，message pipe要求IN和OUT，而且必须是一个endpoint支持IN，OUT，也就是要求全双工。所以endpoint 0的control transfer就总是message pipe。但是只能是endpoint 0可以使用control transfer么？其实不是，除了endpoint 0之外，其实还可以有其他endpoint支持全双工，这就根据设备的支持了，一般这么用的比较少。下面介绍control transfer的时候会介绍到。

Transfer

USB协议规定了4种transfer，分别为control transfer, isochronous transfer, bulk transfer, interrupt transfer.

一个transfer由多个transaction组成，一个transaction由多个packet组成。

control transfer

一个control transfer由SETUP, DATA, STATUS三种transaction组成，其中SETUP是由host -> device, STATUS是由device -> host。DATA是可有可无的，DATA的传输方向也是由SETUP里去指定的。

control trnasfer属于message pipe， 里面传输的数据都是定义好了的结构体，比如set configuration之类。

一个device必须有一个control transfer，也就是使用的endpoint0,但是device不见得只有一个control transfer,也可以有其他的全双工的endpoint去运作附加的control transfer。

SETUP transaction的数据都是USB协议定义好的结构体，这个结构体允许vendor指定自己的专门设备的一些command。DATA transaction如果有的话，就跟在SETUP后面，其也有一个USB定义好的结构体，除非传输的是vedor指定的信息。最后是STATUS transaction，这个也是有USB协议规定好的。

基于control transfer的endpoint决定了最大的packet大小，full-speed的设备为8， 16， 32， 64个bytes, high-speed设备支持64 bytes, low-speed为8bytes.这个包的最大size决定于wMaxPacketSize。这个wMaxPacketSize是在device descriptor里，所以正确的读取顺序为，先读8个bytes，解析后得到wMaxPacketSize后，再去用真实的size继续操作。

还有一点，这个wMaxPacketSize，也就是max packet大小，指的是DATA transaction里的真实data filed的size。像SETUP，STATUS这些transaction，都是USB定义好的，所以size也是固定的，所以就跟这个最大size没有关系了。如果传输的数据大于packet的max size里，那就分多个packet。

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