Linux驱动学习day27天(USB驱动理论部分)

一、USB原理及硬件知识

回答几个问题：

1、为什么USB设备一插入就可以识别到USB设备？

在接上USB设备的时候，5v的电压会形成一个通路，我们可以算出15K电阻的电压(接近5v)，这时候为高电平，就可以执行接下来枚举等等操作了。

2、为什么一接入USB设备的时候，PC机就能识别到是哪一种设备？

USB有相关的协议，接上USB设备的时候PC机相当于会发送“你是什么设备”，然后USB设备会回复“我是xxx设备”，格式已经固定。要遵守规范。

3、PC机上接有很多USB设备，如何分辨？

当每一个USB接入PC时，USB总线驱动会为其分配一个编号，PC想访问某个USB设备时，发送的命令都带有编号地址。

4、USB刚接入PC时，还没有编号，那么PC怎么把分配的编号告诉USB设备？

新接入的USB设备编号为0，在未分配编号之前，均使用0编号与其通信。

CPU通过USB host(USB host driver)访问到下面的hub和func。 APP调用USB dev driver再调用USB host driver来访问到usb host ， 通过usb host 访问到USB dev。

按照下图可知：一个USB host最多可以有6级hub，第7级一定是USBfunction。

二、软件工程师中的USB电气信号

对于USB hub中有一个下拉电阻15K，对于USB dev 有一个上拉电阻1.5K。

Full-speed/High-speed 的D+有一个上拉电阻。Low-speed的D-有一个上拉电阻，刚好相反。

一个USB设备只能Full-speed/Low-speed，或者是Full-speed/High-speed，High-speed和Low-speed不能兼容。

USB数据信号：SOP(Start of Packet) and EOP(End of Packet)

SOP信号

对于Full-speed/Low-speed设备，SYNC信号是三对KJ信号加两个K信号，即KJKJKJKK。J可以对应idle信号，K相反。

同步信号的作用：

• SYNC信号用于同步接收端和发送端的时序，是每个数据包的起始标志。

• 它让接收端能够准确地判定比特周期 T，实现无时钟线的数据同步。

• 类似UART通过约定波特率实现同步，USB通过这个SYNC序列来隐含地提供时钟信息，从而避免了I2C、SPI那样的专门时钟线。

USB设备使用的是反向不归零编码(NRZI)来传输数据：电平不发生变化表示下一个周期传输的是1，发生变化表示下一个周期传输的数据是0。再传输很多相同的数据，比如10个1的时候，会在发生6个1之后强制反转信号发送一个0，USB中使用的bit-stuffing位填充方法。

三、USB协议层的数据格式

3.1 USB设备拓扑结构图

host想去读写数据的时候，需要发送一个包(包含目的addr,endpoint，方向)。

3.2 包数据格式

PID含有包的类型，带有包的方向。用到4位来表示16中包。

host想要发送数据，需要先发送PID令牌包(令牌类0001)，其中包含想要发送对象的信息(含有7位地址和4位端口号)，接下来继续发送包，其PID类型为数据类0011。

发送完数据之后，需要接收方发送握手类信号，PID为0010（ACK ， 收到并且保存信息），由设备将信号发送给host(握手包)。

根据上述的流程，我们可以很清楚的理解，当host想要发送信号给dev，需要涉及三种包，分别是：令牌包，数据包，握手包。其流程也称为事务(数据传输的完整流程)。三种包分别对应着三种阶段：token phase , data phase , hand shake phase。

事务(transaction)由包组成，包由field域组成，field由bit组成。

事务分为：token phase(传输 token packet)、data phase(传输 data packet)、hand shake phase(传输 hand shake packet)。所有的包都含有SOP、SYNC、PID(根据PID的不同，所带的数据就不同)、CRC、EOP。

3.3 传输

有四类传输(Transfer):

• 批量传输bulk：就是使用批量事务实现数据传输，比如U盘。(可靠，非实时)
• 中断传输int：就是使用中断事务实现数据传输，比如鼠标。(可靠，实时)（中断传输并没有中断的效果，它只不过是会周期性的发起数据的传输 ， 周期性的读取）
• 实时传输iso：就是使用实时事务实现数据传输，比如摄像头。(非可靠(偶尔花屏)，实时)
• 控制传输：由建立事务、批量事务组成，所有的USB设备都必须支持控制传输，用于"识别/枚举"

一个bulk/int/iso 传输由一个事务组成。一个控制传输由多个事务实现。

所有的usb传输均由host主动发起连接，dev无法主动告诉host是否有数据等等。

3.3.1 bulk传输

所谓批量传输就是批量事务的一次或者多次重复。bulk传输可以发送一种特殊的包：ping packet。询问是否有数据产生。

从上图可以看出，我要批量读取数据，要发送很多的事务，每个事务都含有完整的token phase、data phase、handshake phase。

批量传输 = 1个/多个批量事务。

3.3.2 int 传输

中断传输和批量传输的区别是：host每隔一段时间通过中断事务去访问dev。就拿鼠标举例，我们使用鼠标的时候，主机host需要按照周期不断的去访问鼠标，发送输入令牌包，去读取鼠标的数据。

3.3.3 iso传输

对于实时传输，不要求数据的准确性，故其没有握手过程，只有token phase 和 data phase .

3.3.4 Control传输

一个控制传输分为3个stage，分别是setup stage ，data stage ， status stage。

建立过程（setup stage）发出建立事务，分为三个阶段：token phase(发送SETUP令牌包) ， data phase(DATA数据包，要含有方向，表示是要读取数据还是写数据，想写什么数据或者读什么数据，这是有固定格式的，host和dev均可以理解这个格式)，handshake phase。

批量过程（data stage）含有多个批量事务。第一次发送的PID为data0，下一次就为data1，依次交替。

状态过程 是一个批量事务，下图是可接受到的状态，状态均有dev发送给host，host读dev的数据也是如此，虽然说host发送data给dev，其本意是获得dev发送ACK给host来表示成功。

下面这幅图是host写dev的时候的状态stage ，host去读dev，收到dev发来的data len = 0 的数据包即表示成功，之后发送ACK握手包。

如果是读数据，状态过程中发送out令牌，host写给dev数据，收到ACK握手包。

stage ≈ 事务 ==》由多个phase组成 《==》多个packet

3.4 总结(using usbprotocolsuite)

3.4.1 控制传输

3.4.2 批量传输

四、USB描述符

USB描述符用来描述设备、配置、接口、端点

4.1 设备、配置、接口、端点

在SETUP事务的数据里，表示了要访问的是什么:Device?Interface?Endpoint?

对于一个USB设备，它可以多种配置(Configuration)。比如4G上网卡就有2种配置: U盘、上网卡。第1次把4G上网卡插入电脑时，它是一个U盘，可以按照里面的程序。装好程序后，把它再次插入电脑，它就是一个上网卡。驱动程序可以选择让它工作于哪种配置，同一时间只能有一种配置。大多数的USB设备只有一种配置。

 一个配置下，可以有多个接口(lnterface 这里要注意不是硬件上的接口)，接口等同于功能(Function)。比如USB耳机有两个接口(功能): 声音收发、按键控制。

一个接口，可能有多个设置(Setting)，比如默认设置下它使用较低的带宽，可以选择其他设置以使用更高带宽。

一个接口，由一个或多个端点(Endpoint)组成。端点0属于整个设备的，端点0是双向的(既可以读也可以写)。接口还可以有其他端点，这些端点是单向的，要么是批量(Bulk)端点、要么是中断(interrupt)端点、要么是同步(lsochronous)端点。

一个设备只有一个设备描述符：用来表示设备的ID、它有多少个配置、它的端点0一次最大能传输多少字节数据；

可能有多个配置描述符：用来表示它有多少个接口、供电方式、最大电流

一个配置描述符下面，可能有多个接口描述符：用来表示它是哪类接口、有几个设置(Setting)、有几个端点

一个接口描述符符下面，可能有多个端点描述符：用来表示端点号、方向(IN/OUT)、类型(批量/中断/同步)

在Linux下可以使用lsusb -v列出所有的usb描述符信息。