usb设备驱动描述,王明学learn

　　　　　　　　　　　　　　　　usb设备驱动

　　本章主要内容包含以下：USB总线介绍，USB协议分析，USB系统架构

一、USB总线介绍

1.1USB发展史

    USB(Universal Serial Bus)通用串行总线，是一种外部总线标准用于规范电脑与外部设备的连接和通讯。USB是在1994年底由英特尔、康柏、IBM、Microsoft等多家公司联合提出的，自1996年推出后已成功替代串口和并口，成为当今个人电脑和大量智能设备的必配接口之一。

1. USB 1.0出现在1996年的，速度只有1.5Mb/s1998年升级为USB 1.1，速度也提升到12Mb/s，称之为”full speed”
2. USB2.0规范是由USB1.1规范演变而来的。它的传输速率480Mbps ”high speed”达到了480Mbps称之为”high speed”
3. USB3.0提供了十倍于USB 2.0的传输速度和更高的节能效率，被称为”super speed”

二、USB硬件接口

2.1USB硬件接口主要包括：标准A口，标准B口，mini-usb口，micro-usb口

      

                         

2.2USB信号线

　　USB接口有4根线，两根电源线，两根信号线。USB接口的输出电压和电流是：+5V 500mA

　　USB电源：标有VCC，power，5v，5vSB字样。

　　USB数据线：（正）DATA+,USBD+，PD-，USBDT+等字样。

　　USB数据线：（负）DATA-,USB-,PD-,USBDT-等字样。

　　地线：GND，ground

2.3USB拓扑结构 

2.3.1系统拓扑结构

          

 

 　 对于每个USB系统来说，都有一个称为主机控制器的设备，该控制器和一个根Hub作为一个整体。这个根Hub下可以接多级的Hub，每个子Hub又可以接子Hub。每个USB设备作为一个节点接在不同级别的Hub上。 每条USB总线上最多可以接127个设备。 

2.3.2USB主控制器规格

　　OHCI：主要是非PC系统上的USB芯片

　　UHCI：大多是Intel和Via主板上的USB控制器芯片。他们都是由USB1.1规格的。

　　器芯片。他们都是由USB1.1规格的。

　　EHCI是有Intel等几个厂商研发，兼容OHCI UHCI ，遵循USB2.0规范。

三、USB协议分析

　　在USB设备的逻辑组织中，包含设备、配置、接口和端点4个层次。设备通常有一个或多个配置,配置通常有一个或多个接口,接口有零或多个端点。

 

 

3.1设备逻辑结构

　　每个USB设备都可以包含一个或多个配置，不同的配置使设备表现出不同的功能组合，配置由多个接口组成。在USB议中，接口代表一个基本的功能，一个功能复杂的USB设备可以具有多个接口,而接口是端点的汇集

　　一个USB播放器带有音频,视频功能,还有旋钮和按钮。
　　配置1: 音频(接口)+旋钮(接口)
　　配置2: 视频(接口)+旋钮(接口)
　　频接口,视频接口,按钮接口,旋钮接口均需要一个驱动程序。

　　USB设备中的唯一可寻址的部分是设备端点，端点的作用类似于寄存器。每个端点在设备内部有唯一的端点号，这个端点是在设备设计时给定的。主机和设备的通信最终都作用于设备上的各个端点。每个端点所支持的操作都是单向的，要么只读，要么只写。 

3.1.1USB设备描述符

　　当我们把USB设备如：USB鼠标）插到我们的PC时，主机能够自动识别出我们的USB设备类型。

    在每一个USB设备内部，包含了固定格式的数据，通过这些数据，USB主机就可以获取USB设备的类型、生产厂商等信息。这些固定格式的数据，我们就称之为USB描述符。标准的USB设备有5种USB描述符：设备描述符，配置描述符，接口描述符，端点描述符，字符串描述符。

　　一个USB设备只有一个设备描述符，设备描述符长度为18个字节，这也是由USB协议所决定的。

　　linux内核使用struct usb_device_descriptor来对应usb描述符中的设备描述符

struct usb_device_descriptor {
    __u8  bLength;描述符长度，固定为0x12
    __u8  bDescriptorType;设备描述符类型，固定为0x01
    __le16 bcdUSB;规范发布号。表示本设备能适用哪种协议，如2.0=0200
    __u8  bDeviceClass;类型代码
    __u8  bDeviceSubClass;子类型代码
    __u8  bDeviceProtocol;协议代码
    __u8  bMaxPacketSize0;端点0最大分组大小
    __le16 idVendor;供应商ID
    __le16 idProduct;产品ID，由厂家自行设置
    __le16 bcdDevice;设备出厂编码，由厂家自行设置
    __u8  iManufacturer;厂商描述符字符串索引，索引到对应的字符串描述符。为0表示没有。
    __u8  iProduct;产品描述符字符串索引
    __u8  iSerialNumber;设备序列号字符串索引
    __u8  bNumConfigurations;可能的配置数。
} __attribute__ ((packed));     按字节对齐

3.1.2配置描述符

bLength : 描述符长度，固定为0x09。

bDescriptorType : 配置描述符类型，固定为0x02。

wTotalLength : 返回整个数据的长度，指此配置返回的配置描述符，接口描述符以及端点描述符的全部大小。

bConfigurationValue : 作为SetConfiguration的一个参数选择配置值。

bNumInterfaces : 配置所支持的接口数，指该配置配备的接口数量，也表示该配置下接口描述符数量。

iConfiguration : 用于描述该配置字符串描述符的索引。

bmAttributes : 供电模式选择。Bit4-0保留，D7:总线供电，D6:自供电，D5:远程唤醒．

MaxPower : 总线供电的USB设备的最大消耗电流，以2mA为单位。

 linux内核使用struct usb_config_descriptor来对应usb描述符中的配置描述符---->当然这也是有USB协议决定的。

struct usb_config_descriptor {
    __u8  bLength;
    __u8  bDescriptorType;
    __le16 wTotalLength;
    __u8  bNumInterfaces;
    __u8  bConfigurationValue;
    __u8  iConfiguration;
    __u8  bmAttributes;
    __u8  bMaxPower;
} __attribute__ ((packed));

 

3.1.3接口描述符

USB接口描述符长度为8个字节

bLength : 描述符长度，固定为0x09。

bDescriptorType : 接口描述符类型，固定为0x04。

bInterfaceNumber: 该接口的编号。

bAlternateSetting: 用于为上一个字段选择可供替换的设置。

bNumEndpoint : 使用的端点数目，端点０除外。

bInterfaceClass : 类型代码（由USB组织分配）。

bInterfaceSunClass : 子类型代码（由USB组织分配）。

bInterfaceProtocol : 议代码（由USB组织分配）。

iInterface : 字符串描述符的索引。

struct usb_interface_descriptor {
    __u8  bLength;
    __u8  bDescriptorType;
    __u8  bInterfaceNumber;
    __u8  bAlternateSetting;
    __u8  bNumEndpoints;接口包含的端点个数，不包含0号端点，它是控制端点。
    __u8  bInterfaceClass;
    __u8  bInterfaceSubClass;
    __u8  bInterfaceProtocol;
    __u8  iInterface;
} __attribute__ ((packed));

3.1.4端点描述符 

USB端点描述符长度为7个字节。

　　bLength : 描述符大小，固定为0x07。

　　bDescriptorType : 接口描述符类型，固定为0x05。

　　bEndpointType : USB设备的端点地址。Bit7，方向，对于控制端点可以忽略，1/0:IN/OUT。Bit6-4，保留。BIt3-0：端点号

　　bmAttributes : 端点属性，Bit7-2，保留。BIt1-0：00控制，01同步，02批量，03中断。

　　wMaxPacketSize : 本端点接收或发送的最大信息包大小。

　　bInterval : 轮训数据传送端点的时间间隔．对于批量传送和控制传送的端点忽略．对于同步传送的端点，必须为１，对于中断传送的端点，范围为1-255。

 

struct usb_endpoint_descriptor 

{
    __u8  bLength;
    __u8  bDescriptorType;
    __u8  bEndpointAddress;
    __u8  bmAttributes;
    __le16 wMaxPacketSize;
    __u8  bInterval;
    /* NOTE:  these two are _only_ in audio endpoints. */
    /* use USB_DT_ENDPOINT*_SIZE in bLength, not sizeof. */
    __u8  bRefresh;
    __u8  bSynchAddress;
} __attribute__ ((packed));

3.2USB数据通讯

　　这里主要包含：通讯模型，传输，事物，包，域的内容。

 

 　　USB的数据通讯首先是基于传输（Transfer）的，传输的类型有：中传输、批量传输、同步传输、控制传输

 3.2.1数据通讯-传输

 3.2.2数据通讯-事务

 　　一次传输由一个或多个事务(transaction)构成,事务可分为：In事务，Out事务，Setup事务

 

3.2.3数据通讯-包

 一个事务由一个或多个包(packet)构成,包可分为：令牌包(setup)、数据包(data)、握手包(ACK)和特殊包

 

3.2.4数据通讯-域 

 　　一个包由多个域构成,域可分为：同步域（SYNC），标识域（PID），地址域（ADDR），端点域（ENDP），帧号域（FRAM），数据域（DATA），校验域（CRC）。

 

 3.3USB设备枚举

　　USB设备在正常工作以前, 第一件要做的事就是枚举。枚举是让主机认得这个USB设备, 并且为该设备准备资源，建立好主机和设备之间的数据传递通道。

　　1. 获取设备描述符

　　2. 复位

　　3. 设置地址

　　4. 再次获取设备描述符

　　5. 获取配置描述符

　　6. 获取接口、端点描述符

　　7. 获取字符串描述符

　　8. 选择设备配置