Linux USB驱动分析(一)----USB2.0协议分析
原文地址：http://blog.chinaunix.net/uid-25445243-id-4040449.html
一、USB硬件介紹
1.1、概述
????????一條USB傳輸線分別由地線、電源線、D+和D-四條線構(gòu)成，D+和D-是差分輸入線，它使用的是3.3V的電壓(與CMOS的5V電平不同)，而電源線和地線可向設(shè)備提供5V電壓，最大電流為500mA(可以在編程中設(shè)置)。
????????USB設(shè)備可以直接和HOST通信，或者通過Hub和Host通信。一個USB系統(tǒng)中僅有一個USB 主機，設(shè)備包括USB功能設(shè)備和USB HUB，最多支持127個設(shè)備。物理連接指的是USB傳輸線。在USB 2.0系統(tǒng)中要求使用屏蔽雙絞線。
1.2、USB HUB
????????USB HUB提供了一種低成本、低復(fù)雜度的USB接口擴展方法。HUB的上行PORT面向HOST，下行PORT面向設(shè)備(HUB或功能設(shè)備)。在下行PORT上，HUB提供了設(shè)備連接檢測和設(shè)備移除檢測的能力，并給各下行PORT供電。HUB可以單獨使能各下行PORT。不同PORT可以工作在不同的速度等級(高速/全速/低速)。
????????如果USB設(shè)備通過集線器和Host通信，主機集線器監(jiān)視著每個端口的信號電壓，當有新設(shè)備接入時便可覺察。集線器端口的兩根信號線的每一根都有15kΩ的下拉電阻，而每一個設(shè)備在D+都有一個 1.5kΩ的上拉電阻。當用USB線將PC和設(shè)備接通后，設(shè)備的上拉電阻使信號線的電位升高，因此被主機集線器檢測到。
二、USB數(shù)據(jù)格式
????????USB的重要關(guān)鍵字:
??????? 端點(Endpoint)：位于USB設(shè)備或主機上的一個數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，是USB設(shè)備中可以進行數(shù)據(jù)收發(fā)的最小單元，支持單向或者雙向的數(shù)據(jù)傳輸，用來存放和發(fā)送USB的各種數(shù)據(jù)，每一個端點都有惟一的確定地址，有不同的傳輸特性(如輸入端點、輸出端點、配置端點、批量傳輸端點)。設(shè)備支持端點的數(shù)量是有限制的，除默認端點外低速設(shè)備最多支持2組端點(2 個輸入，2 個輸出)，高速和全速設(shè)備最多支持15組端點。
??????? 幀：時間概念，在USB中，一幀就是1MS，它是一個獨立的單元，包含了一系列總線動作，USB將1幀分為好幾份，每一份是一個USB的傳輸動作。
??????? 上行、下行：設(shè)備到主機為上行，主機到設(shè)備為下行。
2.1、USB數(shù)據(jù)傳輸方法??????? 數(shù)據(jù)在USB線里傳送是由低位到高位發(fā)送的。
??????? USB采用不歸零取反來傳輸數(shù)據(jù)，當傳輸線上的差分數(shù)據(jù)輸入0時就取反，輸入1時就保持原值，為了確保信號發(fā)送的準確性，當在USB總線上發(fā)送一個包時，傳輸設(shè)備就要進行位插入操作(即在數(shù)據(jù)流中每連續(xù)6個1后就插入一個0)，從而強迫NRZI碼發(fā)生變化。這些是由專門硬件處理的。
2.2、數(shù)據(jù)格式
??????? USB數(shù)據(jù)是由二進制數(shù)字串構(gòu)成的，首先數(shù)字串構(gòu)成域(有七種)，域再構(gòu)成包，包再構(gòu)成事務(wù)(IN、OUT、SETUP)，事務(wù)最后構(gòu)成傳輸(中斷傳輸、并行傳輸、批量傳輸和控制傳輸)。下面介紹一下域、包和事務(wù)。
2.2.1、域
????????域是USB數(shù)據(jù)最小的單位，由若干位組成(多少位由具體的域決定)，域可分為七個類型：
????????1、同步域(SYNC)
????????所有的USB包都由SYNC開始，高速包的SYNC寬度為32bit，全速/低速包的SYNC段度為8bit。實際接收到的SYNC長度由于USB HUB的關(guān)系，可能會小于該值。八位的值固定為0000 0001，用于本地時鐘與輸入同步。
????????2、標識域(PID)
????????由四位標識符 + 四位標識符反碼構(gòu)成，表明包的類型和格式，這是一個很重要的部分，這里可以計算出，USB的標識碼有16種。USB2.0使用了十六種標識碼，標識碼的作用是用來說明包的屬性的，標識碼是和包聯(lián)系在一起的，標識碼分別有以下十六種：
????????令牌包 :
????????0x01：輸出(OUT)啟動一個方向為主機到設(shè)備的傳輸，并包含了設(shè)備地址和標號。
????????0x09：輸入(IN) 啟動一個方向為設(shè)備到主機的傳輸，并包含了設(shè)備地址和標號。
????????0x05：幀起始(SOF)表示一個幀的開始，并且包含了相應(yīng)的幀號。
????????0x0d：設(shè)置(SETUP)啟動一個控制傳輸，用于主機對設(shè)備的初始化。
????????數(shù)據(jù)包 :
????????0x03：偶數(shù)據(jù)包(DATA0)。
????????0x0b：奇數(shù)據(jù)包(DATA1)。
????????握手包:
????????0x02：確認接收到無誤的數(shù)據(jù)包(ACK)。
????????0x0a：無效，接收(發(fā)送)端正在忙而無法接收(發(fā)送)信息。
????????0x0e：錯誤，端點被禁止或不支持控制管道請求。
????????特殊包0x0C前導(dǎo)，用于啟動下行端口的低速設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸。
????????3、地址域(ADDR)：七位地址，代表了設(shè)備在主機上的地址，地址000 0000被命名為零地址，是任何設(shè)備第一次連接到主機時，在被主機配置、枚舉前的默認地址，由此可以知道為什么一個USB主機只能接127個設(shè)備的原因。
????????4、端點域(ENDP)，四位，由此可知一個USB設(shè)備端點數(shù)量最大為16個。
????????5、幀號域(FRAM)，11位，每一個幀都有一個特定的幀號，幀號域最大容量0x800，對于同步傳輸有重要意義。
????????6、數(shù)據(jù)域(DATA)：長度為0~1023字節(jié)，在不同的傳輸類型中，數(shù)據(jù)域的長度各不相同，但必須為整數(shù)個字節(jié)的長度。
????????7、校驗域(CRC)：對令牌包和數(shù)據(jù)包中非PID域進行校驗的一種方法，CRC校驗在通訊中應(yīng)用很泛，是一種很好的校驗方法，CRC碼的除法是模2運算，不同于10進制中的除法。
2.2.2、包
????????USB數(shù)據(jù)包的格式如下：
????????由域構(gòu)成的包有四種類型，分別是令牌包、數(shù)據(jù)包、握手包和特殊包，前面三種是重要的包，不同包的域結(jié)構(gòu)不同，介紹如下：????????
????????1、令牌包
??????? 分為輸入包、輸出包、設(shè)置包和幀起始包(注意這里的輸入包是用于設(shè)置輸入命令的，輸出包是用來設(shè)置輸出命令的，而不是放數(shù)據(jù)的)其中輸入包、輸出包和設(shè)置包的格式都是一樣的：
?????????????????????????????????????????????? SYNC + PID + ADDR + ENDP + CRC5(五位的校驗碼)
????????幀起始包的格式：
?????????????????????????????????????????????? SYNC + PID + 11位FRAM + CRC5(五位的校驗碼)
????????2、數(shù)據(jù)包
????????分為DATA0包和DATA1包，當USB發(fā)送數(shù)據(jù)的時候，如果一次發(fā)送的數(shù)據(jù)長度大于相應(yīng)端點的容量時，就需要把數(shù)據(jù)包分為好幾個包，分批發(fā)送，DATA0包和DATA1包交替發(fā)送，即如果第一個數(shù)據(jù)包是DATA0，那第二個數(shù)據(jù)包就是DATA1。但也有例外情況，在同步傳輸中(四類傳輸類型中之一)，所有的數(shù)據(jù)包都是為DATA0，格式如下：
??????????????????????????????????????????????????????? SYNC + PID + 0~1023字節(jié) + CRC16
????????3、握手包
????????結(jié)構(gòu)最為簡單的包，格式如下：
????????????????????????????????????????????????????????????????????SYNC + PID
????????握手包包括 ACK、NAK、STALL以及NYET 四種，其中 ACK 表示肯定的應(yīng)答，成功的數(shù)據(jù)傳輸。NAK 表示否定的應(yīng)答，失敗的數(shù)據(jù)傳輸，要求重新傳輸。STALL表示功能錯誤或端點被設(shè)置了STALL屬性。NYET表示尚未準備好，要求等待。
2.2.3、事務(wù)
????????分別有IN、OUT和SETUP三大事務(wù)，每一種事務(wù)都由令牌包、數(shù)據(jù)包、握手包三個階段構(gòu)成，這里用階段的意思是因為這些包的發(fā)送是有一定的時間先后順序的，事務(wù)的三個階段如下：
????????1、令牌包階段：啟動一個輸入、輸出或設(shè)置的事務(wù)。
????????2、數(shù)據(jù)包階段：按輸入、輸出發(fā)送相應(yīng)的數(shù)據(jù)。
????????3、握手包階段：返回數(shù)據(jù)接收情況，在同步傳輸?shù)腎N和OUT事務(wù)中沒有這個階段，這是比較特殊的。
????????事務(wù)的三種類型如下(以下按三個階段來說明一個事務(wù))：
????????1、 IN事務(wù)：
????????令牌包階段——主機發(fā)送一個PID為IN的輸入包給設(shè)備，通知設(shè)備要往主機發(fā)送數(shù)據(jù)；
????????數(shù)據(jù)包階段——設(shè)備根據(jù)情況會作出三種反應(yīng)(要注意：數(shù)據(jù)包階段也不總是傳送數(shù)據(jù)的，根據(jù)傳輸情況還會提前進入握手包階段)。
????????1) 設(shè)備端點正常：設(shè)備往主機里面發(fā)出數(shù)據(jù)包(DATA0與DATA1交替)；
??????? 2) 設(shè)備正在忙：無法往主機發(fā)出數(shù)據(jù)包就發(fā)送NAK無效包，IN事務(wù)提前結(jié)束，到了下一個IN事務(wù)才繼續(xù)；
????????3) 相應(yīng)設(shè)備端點被禁止：發(fā)送錯誤包STALL包，事務(wù)也就提前結(jié)束了，總線進入空閑狀態(tài)。
????????握手包階段——主機正確接收到數(shù)據(jù)之后就會向設(shè)備發(fā)送ACK包。
????????2、 OUT事務(wù)：
????????令牌包階段——主機發(fā)送一個PID為OUT的輸出包給設(shè)備，通知設(shè)備要接收數(shù)據(jù)；
????????數(shù)據(jù)包階段——比較簡單，就是主機會往設(shè)備送數(shù)據(jù)，DATA0與DATA1交替
????????握手包階段——設(shè)備根據(jù)情況會作出三種反應(yīng)
????????1) 設(shè)備端點接收正確，設(shè)備給主機返回ACK，通知主機可以發(fā)送新的數(shù)據(jù)，如果數(shù)據(jù)包發(fā)生了CRC校驗錯誤，將不返回任何握手信息；
????????2) 設(shè)備正在忙，無法給主機返回ACK，就發(fā)送NAK無效包，通知主機再次發(fā)送數(shù)據(jù)；
????????3) 相應(yīng)設(shè)備端點被禁止，發(fā)送錯誤包STALL包，事務(wù)提前結(jié)束，總線直接進入空閑狀態(tài)。
????????3、SETUT事務(wù)：
????????令牌包階段——主機發(fā)送一個PID為SETUP的輸出包給設(shè)備，通知設(shè)備要接收數(shù)據(jù)；
????????數(shù)據(jù)包階段——比較簡單，就是主機往設(shè)備送數(shù)據(jù)，注意，這里只有一個固定為8個字節(jié)的DATA0包，這8個字節(jié)的內(nèi)容就是標準的USB設(shè)備請求命令，詳見2.4。
????????握手包階段——設(shè)備接收到主機的命令信息后，返回ACK，此后總線進入空閑狀態(tài)，并準備下一個傳輸(在SETUP事務(wù)后通常是一個IN或OUT事務(wù)構(gòu)成的傳輸)。
2.3、標準的USB設(shè)備請求命令
????????標準的USB設(shè)備請求命令是用在控制傳輸中的“初始設(shè)置步驟”里的數(shù)據(jù)包階段(即DATA0，由八個字節(jié)構(gòu)成)。命令共有11個，大小都是8個字節(jié)，具有相同的結(jié)構(gòu)，由5個字段構(gòu)成(字段是標準請求命令的數(shù)據(jù)部分)，結(jié)構(gòu)如下(括號中的數(shù)字表示字節(jié)數(shù)，首字母bm,b,w分別表示位圖、字節(jié)，雙字節(jié))：
??????????????????? bmRequestType(1) + bRequest(1) + wvalue(2) + wIndex(2) + wLength(2)
????????各字段的意義如下：
????????1、bmRequestType：D7D6D5D4D3D2D1D0
????????D7=0主機到設(shè)備
????????????=1設(shè)備到主機；
????????D6D5=00標準請求命令
????????????=01 類請求命令
????????????=10用戶定義的命令????
????????????=11保留值
????????D4D3D2D1D0=00000 接收者為設(shè)備
????????????=00001 接收者為設(shè)備
????????????=00010 接收者為端點
????????????=00011 接收者為其他接收者
????????????=其他? 其他值保留
????????2、bRequest：請求命令代碼，在標準的USB命令中，每一個命令都定義了編號，編號的值就為字段的值，編號與命令名稱如下(要注意這里的命令代碼要與其他字段結(jié)合使用，可以說命令代碼是標準請求命令代碼的核心，正是因為這些命令代碼而決定了11個USB標準請求命令)：
????????0? GET_STATUS：用來返回特定接收者的狀態(tài)；
????????1? CLEAR_FEATURE：用來清除或禁止接收者的某些特性；
????????2)?3? SET_FEATURE：用來啟用或激活命令接收者的某些特性；
????????5? SET_ADDRESS：用來給設(shè)備分配地址；
????????6? GET_DEscriptOR：用于主機獲取設(shè)備的特定描述符；
????????7? SET_DEscriptOR：修改設(shè)備中有關(guān)的描述符，或者增加新的描述符；
????????8? GET_CONFIGURATION：用于主機獲取設(shè)備當前設(shè)備的配置值(注同上面的不同)；
????????9? SET_CONFIGURATION：用于主機指示設(shè)備采用的要求的配置；
????????10? GET_INTERFACE：用于獲取當前某個接口描述符編號；
????????11? SET_INTERFACE：用于主機要求設(shè)備用某個描述符來描述接口；
????????12 SYNCH_FRAME：用于設(shè)備設(shè)置和報告一個端點的同步幀；
?????? 控制傳輸是USB的重心，而這11個命令是控制傳輸?shù)闹匦?#xff0c;所以這11個命令是重中之重。2.4、 描述符(Descriptor)
??????? Descriptor是一個完整的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，可以通過C語言等編程實現(xiàn)，并存儲在USB設(shè)備中，用于描述一個USB設(shè)備的所有屬性，USB主機是通過一系列命令來要求設(shè)備發(fā)送這些信息的。它的作用就是給主機傳遞信息，從而讓主機知道設(shè)備具有什么功能、屬于哪一類設(shè)備、要占用多少帶寬、使用哪類傳輸方式及數(shù)據(jù)量的大小，只有主機確定了這些信息之后，設(shè)備才能真正開始工作，所以描述符也是十分重要的部分，標準的描述符有5種，USB為這些描述符定義了編號：
????????1——設(shè)備描述符
????????2——配置描述符
????????3——字符描述符
????????4——接口描述符
????????5——端點描述符
????????上面的描述符之間有一定的關(guān)系，一個設(shè)備只有一個設(shè)備描述符，而一個設(shè)備描述符可以包含多個配置描述符，而一個配置描述符可以包含多個接口描述符，一個接口使用了幾個端點，就有幾個端點描述符。這些描述符是用一定的字段構(gòu)成的，分別如下說明：
????????1、設(shè)備描述符
struct _DEVICE_DEscriptOR_STRUCT
{
????BYTE bLength;????????? //設(shè)備描述符的字節(jié)數(shù)大小，為0x12
????BYTE bDescriptorType;? //描述符類型編號，為0x01
????WORD bcdUSB;?????????? //USB版本號
????BYTE bDeviceClass;? //USB分配的設(shè)備類代碼，0x01~0xfe為標準設(shè)備類，0xff為廠商自定義類型
??????????????????????? //0x00不是在設(shè)備描述符中定義的，如HID
??? BYTE bDeviceSubClass;?? //usb分配的子類代碼，同上，值由USB規(guī)定和分配的
??? BYTE bDeviceProtocl;??? //USB分配的設(shè)備協(xié)議代碼，同上
??? BYTE bMaxPacketSize0;?? //端點0的最大包的大小
??? WORD idVendor;????????? //廠商編號
??? WORD idProduct;???????? //產(chǎn)品編號
??? WORD bcdDevice;???????? //設(shè)備出廠編號
??? BYTE iManufacturer;???? //描述廠商字符串的索引
??? BYTE iProduct;????????? //描述產(chǎn)品字符串的索引
??? BYTE iSerialNumber;???? //描述設(shè)備序列號字符串的索引
??? BYTE bNumConfiguration; //可能的配置數(shù)量
}
????????2、配置描述符
struct _CONFIGURATION_DEscriptOR_STRUCT
{
????BYTE bLength;????????? //設(shè)備描述符的字節(jié)數(shù)大小，為0x12
????BYTE bDescriptorType;? //描述符類型編號，為0x01
????WORD wTotalLength;???? //配置所返回的所有數(shù)量的大小
????BYTE bNumInterface;??? //此配置所支持的接口數(shù)量
????BYTE bConfigurationVale;?? //Set_Configuration命令需要的參數(shù)值
????BYTE iConfiguration;?????? //描述該配置的字符串的索引值
????BYTE bmAttribute;????????? //供電模式的選擇
????BYTE MaxPower;???????????? //設(shè)備從總線提取的最大電流
}
????????3、字符描述符
struct _STRING_DEscriptOR_STRUCT
{
????BYTE bLength;????????? //設(shè)備描述符的字節(jié)數(shù)大小，為0x12
????BYTE bDescriptorType;? //描述符類型編號，為0x01
????BYTE SomeDescriptor[36];????????? //UNICODE編碼的字符串
}
????????4、接口描述符
struct _INTERFACE_DEscriptOR_STRUCT
{
????BYTE bLength;????????? //設(shè)備描述符的字節(jié)數(shù)大小，為0x12
????BYTE bDescriptorType;? //描述符類型編號，為0x01
????BYTE bInterfaceNunber; //接口的編號
????BYTE bAlternateSetting;//備用的接口描述符編號
????BYTE bNumEndpoints;??? //該接口使用端點數(shù)，不包括端點0
????BYTE bInterfaceClass;? //接口類型
????BYTE bInterfaceSubClass;//接口子類型
????BYTE bInterfaceProtocol;//接口所遵循的協(xié)議
????BYTE iInterface;??????? //描述該接口的字符串索引值
}
????????5、端點描述符
struct _ENDPOIN_DEscriptOR_STRUCT
{
????BYTE bLength;????????? //設(shè)備描述符的字節(jié)數(shù)大小，為0x12
????BYTE bDescriptorType;? //描述符類型編號，為0x01
????BYTE bEndpointAddress; //端點地址及輸入輸出屬性
????BYTE bmAttribute;????? //端點的傳輸類型屬性
????WORD wMaxPacketSize;?? //端點收、發(fā)最大包的大小
????BYTE bInterval;??????? //主機查詢端點的時間間隔
}
三、傳輸
????????USB系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)傳輸，宏觀看是在HOST和USB功能設(shè)備之間進行。微觀看是在應(yīng)用軟件的Buffer和USB功能設(shè)備的端點之間進行。一般來說端點都有Buffer，可以認為USB通訊就是應(yīng)用軟件Buffer和設(shè)備端點Buffer之間的數(shù)據(jù)交換，交換的通道稱為管道。應(yīng)用軟件通過和設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換來完成設(shè)備控制和數(shù)據(jù)傳輸。通常需要多個管道來完成數(shù)據(jù)交換，因為同一管道只支持一種類型的數(shù)據(jù)傳輸。用在一起來對設(shè)備進行控制的若干管道稱為設(shè)備的接口，這就是端點、管道和接口的關(guān)系。
????????USB 采用“令牌包”-“數(shù)據(jù)包”-“握手包”的傳輸機制，在令牌包中指定數(shù)據(jù)包去向或者來源的設(shè)備地址和端點(Endpoint)，從而保證了只有一個設(shè)備對被廣播的數(shù)據(jù)包/令牌包作出響應(yīng)。握手包表示了傳輸?shù)某晒εc否。
????????USB 采用輪詢的廣播機制傳輸數(shù)據(jù)，所有的傳輸都由主機發(fā)起，任何時刻整個 USB 體系內(nèi)僅允許一個數(shù)據(jù)包的傳輸，即不同物理傳輸線上看到的數(shù)據(jù)包都是同一被廣播的數(shù)據(jù)包。
????????傳輸由OUT、IN和SETUP事務(wù)構(gòu)成，傳輸有四種類型，中斷傳輸、批量傳輸、同步傳輸、控制傳輸，其中中斷傳輸和批量傳輸?shù)慕Y(jié)構(gòu)一樣，同步傳輸有最簡單的結(jié)構(gòu)，而控制傳輸是最重要的也是最復(fù)雜的傳輸。
3.1、 控制傳輸
????????控制傳輸是一種可靠的雙向傳輸，是最重要也是最復(fù)雜的，一次控制傳輸可分為構(gòu)成(初始設(shè)置階段、可選數(shù)據(jù)階段、狀態(tài)信息步驟)，每一個階段可以看成一個傳輸，也就是說控制傳輸其實是由三個傳輸構(gòu)成的，在USB設(shè)備初次接到主機后，主機通過控制傳輸來交換信息、設(shè)備地址和讀取設(shè)備的描述符，使得主機識別設(shè)備，并安裝相應(yīng)的驅(qū)動程序，這是每一個USB開發(fā)者都要關(guān)心的問題。
????????第一階段：從HOST到Device的SETUP事務(wù)傳輸，這個階段指定了此次控制傳輸?shù)恼埱箢愋汀?br style="word-wrap:break-word" /> ????????第二階段：數(shù)據(jù)階段，也有些請求沒有數(shù)據(jù)階段。
????????第三階段：狀態(tài)階段，通過一次IN/OUT傳輸表明請求是否成功完成。
????????控制傳輸通過控制管道在應(yīng)用軟件和Device的控制端點之間進行，控制傳輸過程中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是有格式定義的，USB 設(shè)備或主機可根據(jù)格式定義解析獲得的數(shù)據(jù)含義。其他三種傳輸類型都沒有格式定義。控制傳輸對于最大包長度有固定的要求。對于高速設(shè)備該值為64Byte，對于低速設(shè)備該值為8，全速設(shè)備可以是8或16或32或64。
????????最大包長度表征了一個端點單次接收/發(fā)送數(shù)據(jù)的能力，實際上反應(yīng)的是該端點對應(yīng)Buffer的大小。Buffer越大，單次可接收/發(fā)送的數(shù)據(jù)包越大，反之亦反。當通過一個端點進行數(shù)據(jù)傳輸時，若數(shù)據(jù)的大小超過該端點的最大包長度時，需要將數(shù)據(jù)分成若干個數(shù)據(jù)包傳輸。并保證除最后一個包外，所有的包長度均等于該最大包長度。這也就是說如果一個端點收到/發(fā)送了一個長度小于最大包長度的包，即意味著數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束。
????????控制傳輸在訪問總線時也受到一些限制,如高速端點的控制傳輸不能占用超過 20%的微幀，全速和低速的則不能超過 10%。在一幀內(nèi)如果有多余的未用時間，并且沒有同步和中斷傳輸，可以用來進行控制傳輸。
????????控制傳輸(Transaction) 一次控制傳輸分為三(或兩個)個階段：建立(Setup)、數(shù)據(jù)(DATA)(可能沒有)以及狀態(tài)(Status)。每個階段都由一次或多次(數(shù)據(jù)階段)事務(wù)傳輸組成(Transaction)。
??????? 上圖為建立階段的事務(wù)傳輸流程圖。可以看出：
????????與批量傳輸相比，在流程上并沒有多大區(qū)別，區(qū)別只在于該事務(wù)傳輸發(fā)生的端點不一樣、支持的最大包長度不一樣、優(yōu)先級不一樣等這樣一些對用戶來說透明的東西。
????????建立階段過后，可能會有數(shù)據(jù)階段，這個階段將會通過一次或多次控制傳輸事務(wù)，完成數(shù)據(jù)的傳輸。同樣也會采用PID翻轉(zhuǎn)的機制。
????????建立階段，Device 只能返回ACK包，或者不返回任何包。
????????最后是狀態(tài)階段，通過一次方向與前一次相反的控制事務(wù)傳輸來表明傳輸?shù)某晒εc否。如果成功會返回一個長度為0的數(shù)據(jù)包，否則返回 NAK或STALL。下圖為整個控制傳輸?shù)氖疽鈭D：
3.2、中斷傳輸
??????? 中斷傳輸是一種輪詢的傳輸方式，是一種單向的傳輸。HOST通過固定的間隔對中斷端點進行查詢，若有數(shù)據(jù)傳輸或可以接收數(shù)據(jù)則返回數(shù)據(jù)或發(fā)送數(shù)據(jù)。否則返回NAK，表示尚未準備好。中斷傳輸?shù)难舆t有保證,但并非實時傳輸，它是一種延遲有限的可靠傳輸，支持錯誤重傳。對于高速/全速/低速端點，最大包長度分別可以達到1024/64/8 Bytes。 高速中斷傳輸不得占用超過 80%的微幀時間，全速和低速不得超過90%。 中斷端點的輪詢間隔由在端點描述符中定義，全速端點的輪詢間隔可以是1~255mS。低速端點為10~255mS，高速端點為(2interval-1)*125uS，其中 interval 取 1到 16 之間的值。
????????除高速高帶寬中斷端點外，一個微幀內(nèi)僅允許一次中斷事務(wù)傳輸。高速高帶寬端點最多可以在一個微幀內(nèi)進行三次中斷事務(wù)傳輸，傳輸高達 3072 字節(jié)的數(shù)據(jù)。
????????所謂單向傳輸，并不是說該傳輸只支持一個方向的傳輸。而是指在某個端點上該傳輸僅支持一個方向，或輸出、或輸入。如果需要在兩個方向上進行某種單向傳輸，需要占用兩個端點,分別配置成不同的方向。可以擁有相同的端點編號。
????????中斷傳輸由OUT事務(wù)和IN事務(wù)構(gòu)成，用于鍵盤、鼠標等HID設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸。
????????中斷傳輸在流程上除不支持PING之外，其他的跟批量傳輸是一樣的。他們之間的區(qū)別也僅在于事務(wù)傳輸發(fā)生的端點不一樣、支持的最大包長度不一樣、優(yōu)先級不一樣等這樣一些對用戶來說透明的東西。
????????主機在排定中斷傳輸任務(wù)時，會根據(jù)對應(yīng)中斷端點描述符中指定的查詢間隔發(fā)起中斷傳輸。中斷傳輸有較高的優(yōu)先級，僅次于同步傳輸。同樣中斷傳輸也采用 PID 翻轉(zhuǎn)的機制來保證收發(fā)端數(shù)據(jù)同步。
????????下圖為中斷傳輸?shù)牧鞒虉D。
3.3、批量傳輸
????????批量傳輸由OUT事務(wù)和IN事務(wù)構(gòu)成，是一種可靠的單向傳輸，但延遲沒有保證，它盡量利用可以利用的帶寬來完成傳輸，適合數(shù)據(jù)量比較大的傳輸。低速USB設(shè)備不支持批量傳輸，高速批量端點的最大包長度為512，全速批量端點的最大包長度可以為8、16、32、64。
????????批量傳輸在訪問USB總線時，相對其他傳輸類型具有最低的優(yōu)先級，USB HOST總是優(yōu)先安排其他類型的傳輸，當總線帶寬有富余時才安排批量傳輸。高速的批量端點必須支持PING操作，向主機報告端點的狀態(tài)。NYET表示否定應(yīng)答，沒有準備好接收下一個數(shù)據(jù)包，ACK 表示肯定應(yīng)答，已經(jīng)準備好接收下一個數(shù)據(jù)包。
????????圖中一個方框表示一個 Packet，灰色的包表示主機發(fā)出的包，白色的包表示Device發(fā)出的包。批量傳輸是可靠的傳輸,需要握手包來表明傳輸?shù)慕Y(jié)果。若數(shù)據(jù)量比較大，將采用多次批量事務(wù)傳輸來完成全部數(shù)據(jù)的傳輸，傳輸過程中數(shù)據(jù)包的PID按照 DATA0-DATA1-DATA0-...的方式翻轉(zhuǎn)，以保證發(fā)送端和接收端的同步。若成功則將錯誤次數(shù)計數(shù)器清0，否則累加該計數(shù)器。USB允許連續(xù)3次以下的傳輸錯誤，會重試該傳輸。超過三次后，HOST 認為該端點功能錯誤(STALL)，放棄該端點的傳輸任務(wù)。
????????一次批量傳輸(Transfer)由 1 次到多次批量事務(wù)傳輸(Transaction)組成。
????????翻轉(zhuǎn)同步：發(fā)送端按照 DATA0-DATA1-DATA0-...的順序發(fā)送數(shù)據(jù)包,只有成功的事務(wù)傳輸才會導(dǎo)致PID翻轉(zhuǎn)，也就是說發(fā)送段只有在接收到ACK后才會翻轉(zhuǎn)PID，發(fā)送下一個數(shù)據(jù)包，否則會重試本次事務(wù)傳輸。同樣，若在接收端發(fā)現(xiàn)接收到的數(shù)據(jù)包不是按照此順序翻轉(zhuǎn)的，比如連續(xù)收到兩個DATA0，那么接收端認為第二個DATA0是前一個DATA0的重傳。
3.4、同步傳輸
????????同步傳輸是一種實時的、不可靠的傳輸，不支持錯誤重發(fā)機制。只有高速和全速端點支持同步傳輸，高速同步端點的最大包長度為1024，低速的為1023。由OUT事務(wù)和IN事務(wù)構(gòu)成。有兩個特殊地方，第一，在同步傳輸?shù)腎N和OUT事務(wù)中是沒有返回包階段的；第二，在數(shù)據(jù)包階段所有的數(shù)據(jù)包都為DATA0。
????????除高速高帶寬同步端點外，一個微幀內(nèi)僅允許一次同步事務(wù)傳輸，高速高帶寬端點最多可以在一個微幀內(nèi)進行三次同步事務(wù)傳輸，傳輸高達 3072 字節(jié)的數(shù)據(jù)。全速同步傳輸不得占用超過 80%的幀時間，高速同步傳輸不得占用超過90%的微幀時間。同步端點的訪問也和中斷端點一樣,有固定的時間間隔限制。
????????同步傳輸是不可靠的傳輸，所以它沒有握手包，也不支持PID翻轉(zhuǎn)。主機在排定事務(wù)傳輸時，同步傳輸有最高的優(yōu)先級。
3.5、分離傳輸(Split Transaction)
????????分離傳輸是在主機控制器和USB HUB之間的傳輸，它僅在主機控制器和HUB之間執(zhí)行，通過分離傳輸，可以允許全速/低速設(shè)備連接到高速主機。分離傳輸對于USB設(shè)備來說是透明的、不可見的。
????????分離傳輸，顧名思義就是把一次完整的事務(wù)傳輸分成兩個事務(wù)傳輸來完成。其出發(fā)點是高速傳輸和全速/低速傳輸?shù)乃俣炔幌嗟?#xff0c;如果使用一次完整的事務(wù)來傳輸，勢必會造成比較長的等待時間，從而降低了高速USB總線的利用率。通過將一次傳輸分成兩次，將令牌(和數(shù)據(jù))的傳輸與響應(yīng)數(shù)據(jù)(和握手)的傳輸分開，這樣就可以在中間插入其他高速傳輸，從而提高總線的利用率。
3.6、總結(jié)
????????包是USB總線數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖钚挝?#xff0c;不能被打斷或干擾，否則會引發(fā)錯誤。若干個數(shù)據(jù)包組成一次事務(wù)傳輸，一次事務(wù)傳輸也不能打斷，屬于一次事務(wù)傳輸?shù)膸讉€包必須連續(xù)，不能跨幀完成。一次傳輸由一次到多次事務(wù)傳輸構(gòu)成，可以跨幀完成。
四、枚舉
????????USB設(shè)備連接到HOST時，HOST必須通過默認的控制管道對其進行枚舉，完成獲得其設(shè)備描述、進行地址分配、獲得其配置描述、進行配置等操作后方可正常使用。USB設(shè)備的即插即用特性即依賴于此。
4.1、枚舉時USB的狀態(tài)
????????當USB設(shè)備插上主機時，主機就通過一系列的動作來對設(shè)備進行枚舉配置(配置是屬于枚舉的一個態(tài)，態(tài)表示暫時的狀態(tài))，這些態(tài)如下：
??????? 1、接入態(tài)(Attached)：設(shè)備接入主機后，主機通過檢測信號線上的電平變化來發(fā)現(xiàn)設(shè)備的接入；
??????? 2、供電態(tài)(Powered)：就是給設(shè)備供電，分為設(shè)備接入時的默認供電值，配置階段后的供電值(按數(shù)據(jù)中要求的最大值，可通過編程設(shè)置)；
??????? 3、缺省態(tài)(Default)：USB在被配置之前，通過缺省地址0與主機進行通信；
??????? 4、地址態(tài)(Address)：經(jīng)過了配置，USB設(shè)備被復(fù)位后，就可以按主機分配給它的唯一地址來與主機通信，這種狀態(tài)就是地址態(tài)；
??????? 5、配置態(tài)(Configured)：通過各種標準的USB請求命令來獲取設(shè)備的各種信息，并對設(shè)備的某些信息進行改變或設(shè)置。
??????? 6、掛起態(tài)(Suspended)：總線供電設(shè)備在3ms內(nèi)沒有總線操作，即USB總線處于空閑狀態(tài)的話，該設(shè)備就要自動進入掛起狀態(tài)，在進入掛起狀態(tài)后，總的電流功耗不超過280uA。
??????? 狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如下所示：
???????
4.2、枚舉過程
??????? 1、用戶將一個USB設(shè)備插入USB端口，主機為端口供電，設(shè)備此時處于上電狀態(tài)。主機檢測設(shè)備。集線器使用中斷通道將事件報告給主機。
????????2、主機發(fā)送Get_Port_Status(讀端口狀態(tài))請求，以獲取更多的設(shè)備信息。 返回的消息告訴主機該設(shè)備是什么時候連接的。 集線器檢測設(shè)備是低速運行還是高速運行，并將此信息送給主機，這是對Get_Port_Status請 求的響應(yīng)。
??????? 3、主機發(fā)送Set_Port_Feature(寫端口狀態(tài))請求給集線器，要求它復(fù)位端口，請求集線器來重新設(shè)置端口。集線器使設(shè)備的USB數(shù)據(jù)線處于重啟(RESET)狀態(tài)至少10ms。
??????? 4、主機使用Chirp K信號來了解全速設(shè)備是否支持高速運行。
??????? 5、主機發(fā)送另一個Get_Port_Status請求，確定設(shè)備是否已經(jīng)從復(fù)位狀態(tài)退出。返回的數(shù)據(jù)有一位表示設(shè)備仍然處于重啟狀態(tài)。當集線器釋放了重啟狀態(tài)，設(shè)備此時處于缺省狀態(tài)，且已準備好在零端點通過缺省通道響應(yīng)主機控制傳輸。缺省地址為00h，設(shè)備能從總線獲取高達100mA的電流。
????????6、集線器檢測設(shè)備速度?
????????集線器通過測定哪根信號線(D+或D-)在空閑時有更高的電壓來檢測設(shè)備是低速設(shè)備還是全速設(shè)備。全速和高速設(shè)備D+有上拉電阻，低速設(shè)備D-有上拉電阻。
??????? 7、獲取最大數(shù)據(jù)包長度
??????? 主機向address 0發(fā)送Get_Device_Deor(讀設(shè)備描述符)報文，以取得缺省控制管道所支持的最大數(shù)據(jù)包長度。并在有限的時間內(nèi)等待USB設(shè)備的響應(yīng)。該長度包含在設(shè)備描述符的bMaxPacketSize0字段中，其地址偏移量為7，所以這時主機只需讀取該描述符的前8個字節(jié)。注意，主機一次只能枚舉一個USB設(shè)備，所以同一時刻只能有一個USB設(shè)備使用缺省地址0。
??????? 例：主機向設(shè)備發(fā)送一個八字節(jié)請求：80 06 00 01 00 00 40 00，設(shè)備接收到請求后產(chǎn)生一個中斷，我們可以通過讀中斷寄存器知道中斷源，并且可以加讀最后狀態(tài)寄存器來確定第一個接到的包是否為一個Setup包。當控制器處理程序判斷出它是一個Get_descriptor請求時，把設(shè)備描述符的前16個字節(jié)發(fā)送到端點0緩沖區(qū)中。剩下的2個字節(jié)描述符第一次請求時不再發(fā)送。
??????? 8、主機分配一個新的地址給設(shè)備
????????主機通過發(fā)送一個Set_Address請求來分配一個唯一的地址給設(shè)備。設(shè)備讀取這個請求，返回一個確認，并保存新的地址。從此開始所有通信都使用這個新地址。
????????例：當主機收到正確的前16字節(jié)描述符后，會給設(shè)備分配一個地址，我的PC分配的地址為：0x03（這個要看你的機子當時的USB接口設(shè)備數(shù)目而定) Set_Address 請求所發(fā)送的數(shù)據(jù)為：00 05 03 00 00 00 00 00，其中的03就表示主機為設(shè)備分配的地址為0x03，在以后的通信里設(shè)備就只對0x03地址作出應(yīng)答。當設(shè)備產(chǎn)生一個接收中斷后，根據(jù)所分配的地址設(shè)置設(shè)備的地址寄存器相應(yīng)位。
??????? 9、主機向新地址重新發(fā)送Get_Device_Deor命令，此次讀取其設(shè)備描述符的全部字段，以了解該設(shè)備的總體信息，如VID，PID。
??????? 例：主機發(fā)送設(shè)備描述符標準請求Get_descriptor：80 06 00 01 00 00 12 00，此次將要求把18個字節(jié)全部發(fā)送完。所以主機要分兩次來讀取。第一次讀取16個字節(jié)，第二次讀取兩個字節(jié)，最后主機發(fā)送0表示發(fā)送完畢的應(yīng)答。
????????11、主機發(fā)送Get_Device_String命令，獲得字符集描述（unicode），比如產(chǎn)商、產(chǎn)品描述、型號等等。此時主機將會彈出窗口，展示發(fā)現(xiàn)新設(shè)備的信息，產(chǎn)商、產(chǎn)品描述、型號等。
??????? 根據(jù)Device_Deor和Device_Configuration應(yīng)答，PC判斷是否能夠提供USB的Driver，一般win2k能提供幾大類的設(shè)備，如游戲操作桿、存儲、打印機、掃描儀等，操作就在后臺運行。但是Win98卻不可以，所以在此時將會彈出對話框，索要USB的Driver。
??????? 12、主機分配并加載設(shè)備驅(qū)動程序，這時就可能作應(yīng)用中的數(shù)據(jù)傳輸了。
??????? 13、主機發(fā)送Set_Configuration(x)(寫配置)命令請求為該設(shè)備選擇一個合適的配置(x代表非0的配置值)。如果配置成功，USB設(shè)備進入“配置”狀態(tài)，并可以和客戶軟件進行數(shù)據(jù)傳輸。此時，常規(guī)的USB完成了其必須進行的配置和連接工作，至此設(shè)備應(yīng)當可以開始使用。不過，USB協(xié)議還提供了一些用戶可選的協(xié)議，設(shè)備如果不應(yīng)答，也不會出錯，但是會影響到系統(tǒng)的功能。
??????? 14、主機為復(fù)合設(shè)備接口分配驅(qū)動程序。如果集線器檢測到有過流現(xiàn)象，或者主機要求集線器關(guān)閉電源，則USB總線切斷設(shè)備供電電源。在這種情況下，設(shè)備與主機無法通信，但設(shè)備處于連接狀態(tài)。???
????????使用USB View 采集到的數(shù)據(jù)：
Device Descriptor:
bcdUSB:???????????? 0x0100
bDeviceClass:???????? 0xDC
bDeviceSubClass:????? 0x00
bDeviceProtocol:????? 0x00
bMaxPacketSize0:????? 0x10 (16)
idVendor:?????????? 0x0471
idProduct:????????? 0x0666
bcdDevice:????????? 0x0100
iManufacturer:??????? 0x00
iProduct:???????????? 0x00
iSerialNumber:??????? 0x00
bNumConfigurations:?? 0x01
ConnectionStatus: DeviceConnected
Current Config Value: 0x01
Device Bus Speed:???? Full
Device Address:?????? 0x02
Open Pipes:????????????? 4
Endpoint Descriptor:
bEndpointAddress:???? 0x81
Transfer Type:?? Interrupt
wMaxPacketSize:???? 0x0010 (16)
bInterval:??????????? 0x0A
Endpoint Descriptor:
bEndpointAddress:???? 0x01
Transfer Type:?? Interrupt
wMaxPacketSize:???? 0x0010 (16)
bInterval:??????????? 0x0A
Endpoint Descriptor:
bEndpointAddress:???? 0x82
Transfer Type:??????? Bulk
wMaxPacketSize:???? 0x0040 (64)
bInterval:??????????? 0x0A
Endpoint Descriptor:
bEndpointAddress:???? 0x02
Transfer Type:??????? Bulk
wMaxPacketSize:???? 0x0040 (64)
bInterval:??????????? 0x0A
4.3、USB枚舉實例
????????對2440的USB HOST進行初始化完畢(主要包括對符合OHCI規(guī)范的寄存器的初始化—總線復(fù)位、中斷使能、清除中斷標志、電源管理、內(nèi)存指針寄存器的初始化，各種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的初始化等)，等待USB設(shè)備的插入，當2440檢測到有設(shè)備插入，就要對設(shè)備進行枚舉了。起始枚舉就相當于主機和設(shè)備建立連接的過程(接頭)，Host向Device詢問一些東西，Device將自身的設(shè)備類型，如何進行通信報告給Host，這樣Host就知道怎么對Device進行操作了。
????????枚舉的過程實際上用到而且只用到了總線的“控制傳輸(Control Transfer)”。這種傳輸方式通常用于配置/命令/狀態(tài)等情形，其中的設(shè)置操作setup和狀態(tài)操作status過程的數(shù)據(jù)包具有USB 協(xié)議定義的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，因此，控制傳輸只能通過消息管道進行。
????????一個完整的控制傳輸包括三個過程：
????????1、建立連接。 ???
??????? 2、數(shù)據(jù)過程(可選) 。 ???????
????????3、狀態(tài)過程。
????????建立連接的過程都是由Host發(fā)起，它開始于一個Setup令牌包，后面緊跟一個DATA0包。如果是控制輸入傳輸，數(shù)據(jù)過程則為輸入數(shù)據(jù)，若是控制輸出傳輸，則數(shù)據(jù)過程是輸出數(shù)據(jù)。
????????數(shù)據(jù)過程的可選型是指設(shè)置過程需要指定數(shù)據(jù)長度，如果指定為0，則沒有數(shù)據(jù)過程。狀態(tài)過程跟在數(shù)據(jù)過程之后，狀態(tài)過程恰好和數(shù)據(jù)過程的數(shù)據(jù)傳輸方向相反，因為此階段主要是用來確認之前兩階段的所有數(shù)據(jù)都已經(jīng)正確傳輸了。
?????? 好了，下面就結(jié)合我的這個實例來看看枚舉的詳細過程：
????????1、控制2440向U盤發(fā)送第一個Setup包，內(nèi)容是80 06 00 01 00 00 08 00，其中最后的00 08表示得到DEVICE_DCESCRIPTOR的前8個字節(jié)，因為這個包的主要目的是要獲得USB Device中端點0的最大包的大小(第8個字節(jié))，所以只需要8個字節(jié)就可以了。USB Device返回的設(shè)備標識符為12 01 10 01 00 00 00 40，下面我們需要把0x40記錄下來，將其放到Endpoint Descriptor數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的DWORD0的MPS（bit16~bit32）塊中去。
????????2、接下來2440發(fā)送第二個Setup包，內(nèi)容是00 05 01 00 00 00 00 00，這一次的作用是為USB設(shè)備分配地址。如果USB Device接收并接受了此地址設(shè)置包，會返回一個長度為0的數(shù)據(jù)包。主機接收到長度為0的狀態(tài)包之后就會返回一個ACK給Device，Device再接收到這個ACK之后，就可以啟用新地址了。這樣Device就得到了一個唯一的設(shè)備地址，作為主機通信的唯一表示。
????????3、發(fā)送第三個Setup包，內(nèi)容是80 06 00 02 00 00 09 00，這次是為了獲取配置描述符集合的大小，此位位于讀回數(shù)據(jù)的第三個字節(jié)。U盤返回的數(shù)據(jù)為09 02 20 00 01 01 00 80 32，即描述符集合總大小為0x20。
????????4、發(fā)送第四個Setup包，內(nèi)容是80 06 00 02 00 00 09 00，和上次不同的僅僅是，這次要讀回來的數(shù)據(jù)是整個配置描述符區(qū)域。U盤返回來的數(shù)據(jù)是09 02 20 00 01 01 00 80 32 09 04 00 00 02 08 06 50 00 07 05 82 02 40 00 00 07 05 02 02 40 00?00。這時候我們就可以知道該設(shè)備是什么類型的設(shè)備，支持什么樣的操作了。
上述這兩個過程也有的程序就是直接讀取0xff個字符大小，當然同樣可以達到讀回設(shè)備描述符集合的目的。
至此，我們已經(jīng)得到了所需要的設(shè)備信息，之后就可以對設(shè)備進行配置了。
????????5、向設(shè)備發(fā)送第五個Setup包，數(shù)據(jù)為00 09 01 00 00 00 00 00，USB Device返回一個長度為0的數(shù)據(jù)包，表明數(shù)據(jù)正確接收。至此，USB枚舉過程就完成了。初始設(shè)置步驟：就是一個由SET事務(wù)構(gòu)成的傳輸
??????? 可選數(shù)據(jù)步驟：就是一個由IN或OUT事務(wù)構(gòu)成的傳輸，這個步驟是可選的，要看初始設(shè)置步驟有沒有要求讀/寫數(shù)據(jù)(由SET事務(wù)的數(shù)據(jù)包階段發(fā)送的標準請求命令決定)。
??????? 狀態(tài)信息步驟：這個步驟就是要獲取狀態(tài)信息，由IN或OUT事務(wù)構(gòu)成的傳輸，但是要注意這里的IN和OUT事務(wù)和之前的INT和OUT事務(wù)有兩點不同：
????????1) 傳輸方向相反，通常IN表示設(shè)備往主機送數(shù)據(jù)，OUT表示主機往設(shè)備送數(shù)據(jù)；在這里，IN表示主機往設(shè)備送數(shù)據(jù)，而OUT表示設(shè)備往主機送數(shù)據(jù)，這是為了和可選數(shù)據(jù)步驟相結(jié)合；
????????2) 在這個步驟里，數(shù)據(jù)包階段的數(shù)據(jù)包都是0長度的，即SYNC+PID+CRC16。
總結(jié)
以上是生活随笔為你收集整理的Linux USB驱动分析(一)----USB2.0协议分析的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
- 上一篇： 不怕得罪人地推荐这9本黑客书籍
- 下一篇： Linux与Android安全差异