USB简述（Linux驱动开发篇）_linux usb驱动开发

一、USB简述

• USB 全称为 Universal Serial Bus，翻译过来就是通用串行总线。

1.按照版本划分：
USB 目前可以划分为 USB1.0、USB2.0、USB3.0 以及正在即将到来的USB4.0

• USB1.0：
• USB2.0： USB2.0 的480Mbps为半双工。目前大多数单片机以及低端 Cortex-A 芯片配置的都是 USB2.0 接口，比如 STM32和ALPHA开发板所使用的I.MX6ULL。USB2.0 全面兼容USB1.0标准。USB2.0 分为两个版本:Full-Speed（12Mbps）和High-Speed(480Mbps)
• USB3.0：USB3.0最大理论传输速度为 5.0Gbps， USB3.0引入了全双工数据传输，。USB3.0中两根线用于发送数据，另外两根用于接收数据.
• USB4.0: 目前还在标准定制中，目前还没有设备搭载。USB4.0 的速度将提升到了 40Gbps，最高支持 100W 的供电能力，只需要一根线就可以完成数据传输与供电

2.按照接口类型划分：

• USB A 插头(左)和插座(右) (大头)
  
• USB B 插头(左)和插座(右) （大头）
  
• Mini USB插头(左)和插座(右) （小头）
  
• Micro USB 插头(左)和插座(右) （小头）
  
• USB Typec插头(左)和插座(右) （小头）
  
  3、电气特性
• USB A 插头从左到右线序依次为 1,2,3,4，
  第 1 根线为 VBUS电压为5V（TTL电平），
  第 2 根线为 D-，
  第 3 根线为 D+，
  第 4 根线为 GND。
• Mini USB插头，发现Mini USB 插头有5个触点，也就是 5根线，
  第 1根线为VCC(5V)，
  第 2 根线为D-，
  第 3根线为D+，
  第 4 根线为ID，
  第 5 根线为 GND
• 可以看出 Mini USB 插头相比 USB A 插头多了一个 ID 线，这个 ID 线用于实现OTG功能，通过 ID线来判断当前连接的是主设备(HOST)还是从设备(SLAVE)。
  ID=1：OTG 设备工作在从机模式。
  ID=0：OTG 设备工作在主机模式。
• USB 采用差分信号来传输数据，因此有D-和D+两根差分信号线

3.拓扑结构

• USB 是主从结构的，也就是分为主机和从机两部分，一般主机叫做Host（大头，比如电脑等），从机叫做Device（小头，主要就是用的设备，鼠标、键盘等）
• 如果不够用的话我们可以购买 USB 集线器来扩展电脑的
  USB 插口，USB集线器也叫做USB HUB。
  
• 主机一般会带几个原生的USB 主控制器，比如 I.MX6ULL就有两个原生的 USB主控制器。但是两个接口肯定是不够用的，这时候就要通过 USB HUB 芯片扩展出来。虽然我们可以对原生的 USB 口数量进行扩展，但是我们不能对原生 USB 口的带宽进行扩展。
• USB 只能主机与设备之间进行数据通信， USB 主机与主机、设备与设备之间是不能通信的。因此两个正常通信的 USB接口之间必定有一个主机，一个设备比如主机提供 USB A 插座，从机提供 Mini USB、Micro USB 等插座
• 在一个USB 系统中，仅有一个 USB 主机，但是可以有多个USB 设备，包括USB功能设备和USB HUB，最多支持127个设备所以一个USB主控制器最多可以分配 127 个地址。整个 USB 的拓扑结构就是一个分层的金字塔形
  
• 一共有 7 层，金字塔顶部是 Root Hub，这个是USB 控制器内部的。图中的 Hub就是连接的USB 集线器，Func就是具体的USB设备
  USB 主机和从机之间的通信通过管道(Pipe)来完成，在主机端管道其实就是一组缓冲区，用来存放主机数据，在设备端管道对应一个特定的端点。

4.usb OTG

• 上面都已经说了，usb是一个严格遵守“主从结构”的。所以，
• 支持USB OTG 功能的USB 接口既可以做 HOST，也可以做 DEVICE。这其中使用ID线来表示是主机还是从机。
  ID=1：OTG 设备工作在从机模式。
  ID=0：OTG 设备工作在主机模式。

二、USB协议简述

• 上面已经提到过，usb的小头有4线和5线的结构（多一根线是ID线，支持OTG模式）
• 其中主要传输数据就是靠D+和D-两根差分信号线来实现。

1、USB 描述符

USB 描述符就是用来描述 USB 信息的，USB 设备使用描述符来向主机报告自己的相关属性信息，常用描述符如下：
1）设备描述符：设备描述符用于描述 USB 设备的一般信息，USB 设备只有一个设备描述符

2）配置描述符：配置描述符描述了设备可提供的接口(Interface)数量、配置编号、供电信息等，


3）字符串描述符：字符串描述符是可选的，字符串描述符用于描述一些方便人们阅读的信息，比如制造商、设备名称啥的

4）接口字符串：接口描述符中一般记录接口编号、接口对应的端点数量、接口所述的类等.配置描述符中指定了该配置下的接口数量，配置可以提供一个或多个接口，接口描述符用于描述接口属性。


5）端点描述符：端点描述符描述了树传输类型、方向、数据包大小、端点号等信息.端点是设备与主机之间进行数据传输的逻辑接口，除了端点 0是双向端口，其他的端口都是单向的。

2、数据包类型

• USB 是串行通信，需要一位一位的去传输数据， USB 传输的时候先将原始数据进行打包，所以 USB 中传输的基本单元就是数据包。根据用途的不同，USB 协议定义了 4 种不同的包结构:
  1.令牌(Token)包、
  2.数据(Data)包、
  3.握手(Handshake)包
  4.特殊(Special)包
• 这四种包通过包标识符 PID 来区分，PID 共有8位，USB协议使用低 4位PID3~PID0，另外的高四位 PID7_PID4是PID3PID0的取反，传输顺序是 PID0、PID1、PID2、PID3…PID7。
  1.令牌包的PID1~0为 01，
  2.数据包的 PID1~0 为 11，
  3.握手包的 PID1~0 为 10，
  4.特殊包的 PID1~0 为 00
• 其中每种包又有具体的包。他们之间的区分就是包标识符PID
  
  
  1、令牌包
  
• 首先是 SYNC 同步域，包同步域为 00000001，也就是连续7个0，后面跟一个1，如果是高速设备的话就是31个0后面跟一个1。紧跟着是PID，
• 这里是SETUP包，为 0XB4，大家可能会好奇为什么不是 0X2D(00101101)， 0XB4 的原因如下：
  ①、SETUP 包的 PID3~PID0为1101，因此对应的 PID7~PID4 就是 0010。
  ②、PID 传输顺序为 PID0、PID1、PID2…PID7，因此按照传输顺序排列的话此处的PID 就是 10110100=0XB4，并不是 0X2D。
• PID后面跟着地址域(ADDR)和端点域(ENDP)，为目标设备的地址和端点号。
• CRC5 域是 5位 CRC 值，是ADDR和ENDP这两个域的校验值。最后就是包结束域(EOP)，标记本数据包结束。其他令牌包的结构和 SETUP 基本类似，只是 SOF 令包中间没有 ADDR 和 ENDP 这两个域，而是只有一个11 位的帧号域

2、数据包

3、握手包

3、传输类型

在端点描述符中 bmAttributes 指定了端点的传输类型，一共有 4 种传输类型。
控制传输
同步传输
批量传输
中断传输

1、控制传输

• 控制传输一般用于特定的请求，比如枚举过程就是全部由控制传输来完成的，比如获取描述符、设置地址、设置配置等

• 控制传输分为三个阶段：
  1)建立阶段(SETUP)：建立阶段使用 SETUP 令牌包，SETUP 使用DATA0 包。
  2)数据阶段(DATA)（可选):
  数据阶段是 0 个、1 个或多个输入(IN)/输出(OUT)事务
  数据阶段的第一个数据包必须是 DATA1，每次正确传输以后就在 DATA0和DATA1 之间进行切换
  3)状态阶段(STATUS):
  状态阶段的传输方向要和数据阶段相反，比如数据阶段为 IN 的话状态阶段就要为 OUT，状态阶段使用DATA1包。

• 读控制传输阶段
  

2、同步传输

• 同步传输用于周期性、低时延、数据量大的场合，比如音视频传输。
• 这些场合对于时延要求很高，但是不要求数据 100%正确，允许有少量的错误。
• 因此，同步传输没有握手阶段，即使数据传输出错了也不会重传。

3、批量传输

• 批量传输就是用于大批量传输大块数据的，这些数据对实时性没有要求，比如 MSD类设备(存储设备)，U 盘之类的。
• 批量传输分为批量读(输入)和批量写(输出)，如果是批量读的话第一阶段的 IN 令牌包，如果是批量写那么第一阶段就是OUT 令牌包。
  批量写传输过程：
  ①、主机发出OUT令牌包，令牌包里面包含了设备地址、端点等信息。
  ②、如果OUT 令牌包正确的话，也就是设备地址和端点号匹配，主机就会向设备发送一个数据(DATA)包，发送完成以后主机进入接收模式，等待设备返回握手包，一切都正确的话设备就会向主机返回一个 ACK握手信号。
  批量读的过程刚好相反：
  ①、主机发出IN令牌包，令牌包里面包含了设备地址、端点等信息。发送完成以后主机就进入到数据接收状态，等待设备返回数据。
  ②、如果 IN 令牌包正确的话，设备就会将一个 DATA 包放到总线上发送给主机。主机收到这个DATA包以后就会向设备发送一个ACK 握手信号。

4、中断传输

• 这里的中断传输并不是我们传统意义上的硬件中断，而是一种保持一定频率的传输，
• 中断传输适用于传输数据量小、具有周期性并且要求响应速度快的数据，比如键盘、鼠标等。
• 中断的端点会在端点描述符中报告自己的查询时间间隔，对于时间要求严格的设备可以采用中断传输。

4、usb枚举

• 当 USB 设备与USB主机连接以后主机就会对 USB设备进行枚举，通过枚举来获取设备的描述符信息，主机得到这些信息以后就知道该加载什么样的驱动、如何进行通信等。

• USB 枚举过程如下：
  ①、第一回合，当USB 主机检测到USB设备插入以后机会发出总线复位信号来复位设备。USB 设备复位完成以后地址为 0，主机向地址 0 的端点 0 发送数据，请求设备的描述符。设备得到请求以后就会按照主机的要求将设备描述符发送给主机，主机得到设备发送过来的设备描述符以后，如果确认无误就会向设备返回一个确认数据包(ACK)。

  ②、第二回合，主机再次复位设备，进入地址设置阶段。主机向地址 0 的端点0 发送设置地址请求数据包，新的设备地址就包含在这个数据包中，因此没有数据过程。设备进入状态过程，等待主机请求状态返回，收到以后设备就会向主机发送一个 0 字节状态数据包，表明设备已经设置好地址了，主机收到这个 0 字节状态数据包以后会返回一个确认包(ACK)。设备收到主机发送的ACK 包以后就会使用这个新的设备地址，至此设备就得到了一个唯一的地址。

  ③、第三回合，主机向新的设备地址端点 0 发送请求设备描述符数据包，这一次主机要获取整个设备描述符，一共是 18个字节。

  ④、和第③步类似，接下来依次获取配置描述符、配置集合、字符串描述符等等。