USB協議架構及驅動架構

1. USB協議

1.1 USB主機系統

       在USB主機系統中，通過根集線器與外部USB從機設備相連的處理芯片，稱爲USB主機控制器。USB主機控制器包含硬件、軟件和固件一部分。

1.2 USB設備系統

        USB設備按功能分爲兩部分：集線器(Hub)和功能部件。從下圖可知，主機通過根集線器連接到各種外圍設備(集線器和功能部件)。

1.3 主機和設備之間通信模型
    

                                           主機與設備之間的通信模型

       上圖展示了USB主機和USB設備之間的數據傳輸過程。在設備端，USB設備將非USB格式的數據進行打包處理，轉換成USB格式的數據包，然後傳遞到鏈路層，經過硬件處理、傳遞到物理層，由物理層通過PHY以數據流的形式傳輸到主機。 

       USB主機在USB設備和USB主機之間發起的傳輸過程，穩爲事務。每次事務以2到3個數據包的形式進行USB總線傳輸。每個數據包包含2到3個步驟：
       1) USB主機控制器向USB設備發出命令
       2) USB控制器和USB設備之間傳遞讀寫請求，其方向取決於第一部分的命令是讀還是寫
       3) 握手信號。
            USB主機控制器向USB設備發送事務類型請求，通過分組標識符來進行識別。

 1.4 USB分組標識

        主機和設備之間進行操作，通過分組標識(PID)來進行傳輸。數據包傳輸格式一般由：PID、數據/控制信息、CRC校驗碼組成。
        常見的PID主要包括令牌、數據、握手等類型組成。PID碼以特定的方式組成，如下表所示：

      PID分組碼是數據傳輸流程中的重要元素。無論硬件還是軟件，都要對PID分組碼進行分析，從而做出正確響應。USB主機和設備嚴格按照PID分組碼信息進行信息交互。

1.5 數據包傳輸模式

       當USB設備連接到集線器，集線器狀態將發生相應的變化，並將狀態變化信息傳遞給USB主機。USB主機通過根集線器向USB設備發送命令，獲取USB設備的各種信息，包含USB設備傳輸類型、ID號、Product、USB速度等信息。
       USB主機和USB設備之間的數據傳輸共有四種類型：控制傳輸、批量傳輸、中斷傳輸和同頻傳輸。與之對應，USB主機和USB設備之間有四種事務：控制事務、批量事務、中斷事務和同步事務。

1.5.1 批量(Bulk)傳輸

    作用：主要用於非實時性傳輸，數據包較大而延時要求較低。
    特點：數據傳輸準備即可，採用批量傳輸模式的USB從機設備，如U盤
    數據傳輸分三個階段：
    a) 令牌階段：主機發送請求，USB設備依據請求PID來判斷IN或OUT傳輸
    b) 數據傳輸階段：依據令牌階段的IN或OUT傳輸，來決定數據傳輸爲DATA0或DATA1來進行數據傳輸
    c) 握手階段：接收信息的一方發送ACK信號以表示接收成功；若爲NAK，表示發送失敗；STALL表示不可預知的錯誤

 1.5.2 控制(Control)傳輸

       作用：USB傳輸過程必須支持的傳輸模式。USB主機爲了獲取設備描述符、ID、Product等信息，向USB設備發送相應的PID命令。
       特點：唯一可以進行IN/OUT傳輸的傳輸模式。
數據寬度：控制傳輸方式可以以8、16、32或64字節的數據進行傳輸，這取決於設備的傳輸速度。
       USB主機和設備之間必須支持控制傳輸，通過端點0進行數據傳輸。控制傳輸分爲令牌、數據傳輸和握手階段。

 1.5.3 中斷傳輸事務

作用：按照一定時刻輪詢設備是否有中斷傳輸請求
特點：查詢頻率取決於端點的模式結構，從1到255ms不等
中斷傳輸主要用於實時性要求非常高的從機設備，如鍵盤操縱桿和Mouse等
傳輸過程也分爲令牌階段、數據傳輸和握手階段 

1.6 USB描述符

   USB協議中共定義了以下四種描述符：
   1) 設備描述符
   2) 配置描述符
   3) 接口描述符
   4) 端點描述符

   其關係如下圖所示：

1.6.1 設備描述符

      每個USB設備都有一個唯一的設備描述符，如下表所示：

1.6.2 配置描述符

   每個USB設備都有默認的配置描述符，支持至少一個接口，每個配置描述符如下表：

 

1.6.3 接口描述符

   設備應至少支持一個接口，如：塊傳輸數據接口，部分設備可能支持其它的接口。複合設備可以支持額外接口，以支持音頻和視頻功能。標準中並沒有定義此類接口。接口可能有多個可選設置，主機將會檢查每個可選的設置。

1.6.4 端點描述符

   每個設備至少支持控制端點0。USB設備應該支持三類端點：控制端點、輸入端點和輸出端點。

 2. OTG協議

        OTG設備採用Mini-AB插座，相對於傳統的USB數據線，Mini-AB接口多了一根數據線ID，ID線是否接入將Mini-AB接口分爲Mini-A和Mini-B接口兩種類型。在OTG設備之間數據連接的過程中，通過OTG數據線Mini-A和Mini-B接口來確定OTG設備的主從：接入Mini-A接口的設備默認爲A設備(主機設備)；接入Mini-B接口的設備，默認爲B設備(從設備)。

        A設備和B設備無需交換電纜接口，即可通過主機交換協議(HNP)實現A、B設備之間的角色互換。同時，爲了節省電源，OTG允許總線空閒時A設備判斷電源。此時，若B設備希望使用總線，可以通過會話請求協議(SRP)請求A設備提供電源。

2.1 HNP(主機交換)協議

    當Mini-A接口接入A設備並確定A設備爲主機時；若B設備希望成爲主機，則A設備向B設備發送SetFeature命令，允許B設備進行主機交換。B設備檢測到總線掛起5ms後，即掛起D+並啓動HNP，使總線處於SE0狀態。此時A設備檢測到總線處於SE0狀態，即認爲B設備發起主機交換，A設備進行響應。待B設備發現D+線爲高電平而D-線爲低電平(J狀態)，表示A設備識別了B設備的HNP請求。B設備開始總線復位並具有總線控制權，主機交換協議完成。

2.2 SRP(會話請求)協議

    對於主機，要求能響應會話請求；對於設備，僅要求能夠發起SRP協議。OTG設備，不僅要求發起SRP，而且還能響應SRP請求。
    SRP分爲數據線脈衝調製和電壓脈衝調兩種方式，B設備發起SRP必須滿足以下兩個條件：
    1) B設備檢測到A設備低於其有效的電壓閾值，同時B設備低於有效的電壓閾值。
    2) B設備必須檢測到D+和D-數據線至少在2ms的時間內低於有效閾值，即處於SE0狀態。

    數據線脈衝調製會話請求：B設備必須等到滿足以上兩個條件後，將數據線接入上拉電阻一定的時間，以備A設備過濾數據線上的瞬間電壓。與此同時，B設備上拉D+以便於在全速模式下進行初始化操作。A設備在檢測到D+變爲高電平或D-變爲低電平時產生SRP指示信號。
    
    Vbus脈衝調製會話請求：B設備同樣需等待滿足上述兩個初始化條件，然後B設備通過對電容充電以提高總線電壓，待達到總線上的電壓閾值，喚醒A設備。在充電過程中，一定要保證充電的電壓峯值在一定的範圍以避免燒壞A設備。

3. USB驅動架構
 

      USB驅動架構如下圖所示：

  3.1 USB主機端驅動

 

    USB核心(USBD)是整個USB驅動的核心部分，從上圖可知，一方面USBD對接收到USB主機控制器的數據進行處理，並傳遞給上層的設備端驅動軟件；同時也接收來自上層的非USB格式數據流，進行相應的數據處理後傳遞給USB主機控制器驅動。

    USB數據傳輸都以URB(USB Request Block)請求、URB生成、URB遞交、URB釋放爲主線。從上圖可知，當加載控制器驅動之後，註冊根據集線器，hub和hcd驅動成爲一個整體。接着，主機通過控制傳輸獲取設備的控制描述符等信息，接着詳述整個控制傳輸的流程。usb_submit_urb依據是否連接到根集線器來決定調用urb_enqueue或rh_urb_enqueue函數。
    USB從設備通過集線器或根集線器連接到USB主機上。比如：主機通過根集線器與外界進行數據交互，根集線器通過探測數據線狀態的變化來通知USB主機是否有USB外圍設備接入。

    在主機端控制器驅動加載的過程中，註冊了根集線器，然後匹配了相應的hub驅動程序，同時完成了對Hub的輪詢函數和狀態處理函數的設置。這樣，一旦hub集線器的狀態發生變化，就會產生相應的中斷，主機端控制器就會執行相應的中斷處理函數，下圖爲hub驅動程序的流程圖。

       USB Core中的usb_init()函數中完成了對hub線程(khubd，在usb_hub_init函數中真正地創建)的創建，然後完成相應設備的探測。主機端控制器驅動進行探測時，將hub驅動和主機端控制器驅動結合在一起，相互之間完成調用。 相對於大容量存儲設備與主機之間通過控制/批量傳輸，集線器與主機之間通過中斷/控制方式完成數據交互。

3.2 USB設備端驅動

 

    從上圖可知，設備端驅動包含兩部分：
    1) 底層設備控制器驅動
    2) 上層大容量存儲類驅動

3.2.1 設備控制器驅動

       USB設備控制器驅動主要實現Gadget API定義的函數和中斷服務函數，可按功能劃分爲：API函數實現模塊和中斷處理模塊。
       API函數主要實現Gadget API定義的函數功能，如結構體usb_ep_ops和usb_gadget_ops中的函數、usb_gadget_register_driver函數。這些函數是供Gadget Driver調用。
       中斷處理模塊主要處理設備控制器產生的各種中斷，包括端點中斷、復位、掛起等中斷。

上圖爲設備端控制器基本架構，主要完成了Gadget驅動和控制器驅動綁定、usb_gadget_register_driver註冊。

3.3 OTG驅動

OS_FS: 文件系統
USBD: USB核心
HCD: 主機控制器驅動
UDC: 設備端控制器驅動

       OTG設備支持HNP和SRP協議。OTG設備通過USB OTG電纜連接到一起，其中接Mini-A接口的設備爲A設備，默認爲主機端，Mini-B接口的設備默認爲B設備。當A、B設備完成數據交互之後，A、B設備之間的USB OTG電纜進入掛起狀態，如下圖所示：

        當B設備寫入b_bus_req，向A設備發起HNP請求。待A設備響應之後，A設備發送a_set_b_hnp_en，B設備響應之後即進入主機狀態，同時發送請求使用A設備set_device，這樣A、B設備完成主從交換。

4. USB 傳輸流程

 4.1 USB初始化過程

       USB驅動作爲一個系統，集成了衆多的驅動模塊，註冊過程非常複雜。從USB系統的角度來說，USB主機驅動主要包含：

       1) USB核驅動

       2) 主機控制器驅動

       3) 集線器驅動

       驅動的加載執行流程如下圖所示：

                               USB初始化過程
4.1.1 USB Core的初始化

   USB驅動從USB子系統的初始化開始，USB子系統的初始化在文件driver/usb/core/usb.c

subsys_initcall(usb_init);
module_exit(usb_exit);

        subsys_initcall()是一個宏，可以理解爲module_init()。由於此部分代碼非常重要，開發者把它看作一個子系統，而不僅僅是一個模塊。USB Core這個模塊代表的不是某一個設備，而是所有USB設備賴以生存的模塊。在Linux中，像這樣一個類別的設備驅動被歸結爲一個子系統。subsys_initcall(usb_init)告訴我們，usb_init纔是真正的初始化函數，而usb_exit將是整個USB子系統結束時的清理函數。

 

4.1.2 主機控制器的初始化及驅動執行(以EHCI爲例)

   module_init(otg_init); 模塊註冊
   static init __init otg_init(void);
   platform_driver_register(); 平臺註冊
   static int __init otg_probe(struct platform_device *pdev); 探測處理函數
   reg = platform_get_resource(pdev, IORESOURCE_MEM, 0); 獲取寄存器信息
   data = platform_get_resource(pdev,IORESOURCE_MEM, 1); 獲取內存信息
   irq = platform_get_irq(pdev,0); 獲取中斷號
   usb_create_hcd(&otg_hc_driver, &pdev->dev, pdev->dev.bus_id);
   分配和初始化HCD結構體。對設備數據空間進行分配，初始化計數器、總線、定時器、hcd結構體各成員值。
   ret = usb_add_hcd(hcd,irq,SA_INTERRUPT);
   完成HCD結構體的初始化和註冊。申請buffer，註冊總線、分配設備端內存空間，向中斷向量表中申請中斷，註冊根集線器，對根集線器狀態進行輪詢。

4.1.3 註冊集線器

       register_root_hub(hcd);
      在USB系統驅動加載的過程中，創建了集線器的線程(khubd)，並且一直查詢相應的線程事務。HCD驅動中，將集線器作爲一個設備添加到主機控制器驅動中，然後進行集線器端口的初始化。在USB主機看來，根集線器本身也是USB主機的設備。USB主機驅動加載完成之後，即開始註冊根集線器，並且作爲一個設備加載到主機驅動之中。
       USB主機和USB設備之間進行數據交互，USB設備本身並沒有總線控制權，U盤被動地接收USB主機發送過來的信息並做出響應。USB主機控制器與根集線器構成了主機系統，然後外接其它的USB設備。
       爲了更好地探測到根集線器的狀態變化，USB主機控制器驅動增加了狀態輪詢函數，以一定的時間間隔輪詢根集線器狀態是否發生變化。一旦根集線器狀態發生變化，主機控制器就會產生相應的響應。
       USB主機和USB設備之間的數據傳輸以URB(USB Request Block)的形式進行。

 4.2 URB傳輸過程

    USB初始化過程中，無論是主機控制器驅動還是根集線器驅動，都是通過URB傳輸獲取設備信息。

4.2.1 申請URB

    struct urb *usb_alloc_urb(int iso_packets, gfp_t mem_flags)
    爲urb分配內存並執行初始化。

4.2.2 初始化URB

    初始化具體的urb包 

static inline void usb_fill_bulk_urb(struct urb *urb,
     struct usb_device *dev,
     unsigned int pipe,
     void *transfer_buffer,
     int buffer_length,
     usb_complete_t complete_fn,
     void *context)

static inline void usb_fill_control_urb(struct urb *urb,
    struct usb_device *dev,
    unsigned int pipe,
    unsigned char *setup_packet,
    void *transfer_buffer,
    int buffer_length,
    usb_complete_t complete_fn,
    void *context)
static inline void usb_fill_int_urb(struct urb *urb,
    struct usb_device *dev,
    unsigned int pipe,
    void *transfer_buffer,
    int buffer_length,
    usb_complete_t complete_fn,
    void *context,
    int interval)

       不同的傳輸模式下，驅動爲之申請不同的URB。其中，Linux內核只支持同步傳輸外的三種傳輸事件，ISO事務需要手工進行初始化工作。控制傳輸事務、批量傳輸事務、中斷傳輸事務API如上所示。
      三種事務傳輸模式下的URB初始化函數有很多相似之處，主要參數含義如下：
      • urb: 事務傳輸中的urb
      • dev: 事務傳輸的目的設備
      • pipe: USB主機與USB設備之間數據傳輸的通道
      • transfer_buffer: 發送數據所申請的內存緩衝區首地址
      • length: 發送數據緩衝區的長度
      • context: complete函數的上下文
      • complete_fn: 調用完成函數
      • usb_fill_control_urb()的setup_packet: 即將被髮送的設備數據包
      • usb_fill_int_urb()的interval: 中斷傳輸中兩個URB調度的時間間隔

4.2.3 提交URB

       URB初始化完成之後，USBD開始通過usb_start_wait_urb()提交urb請求(它調用usb_submit_urb來真正的發送URB請求)，添加completition函數。
      接下來，從message.c傳到主機控制器(hcd.c)，開始真正的usb_hcd_submit_urb()。此時，根據是否爲根集線器，進入不同的工作隊列。
   usb_start_wait_urb->
   usb_submit_urb->
   usb_hcd_submit_urb

   a) root_hub傳輸

   若爲root hub，將調用rh_urb_enqueue()，共有兩種傳輸事務(控制傳輸和中斷傳輸)

static int rh_urb_enqueue (struct usb_hcd *hcd, struct urb *urb)
{
    if (usb_endpoint_xfer_int(&urb->ep->desc)) // 中斷傳輸
        return rh_queue_status (hcd, urb);
    if (usb_endpoint_xfer_control(&urb->ep->desc)) // 控制傳輸
        return rh_call_control (hcd, urb);
    return -EINVAL;
}

   b) 非root_hub傳輸
   對於非常root_hub傳輸，它調用:
   status = hcd->driver->urb_enqueue(hcd, urb, mem_flags);

   c) 批量傳輸
   root_hub本身沒有批量傳輸流程，按照控制傳輸流程，控制傳輸最終要通過switch語句跳轉到Bulk-Only傳輸流程中