基於Linux的USB子系統學習，linuxusb子系統

基於Linux的USB子系統學習，linuxusb子系統

一、參考資料

　　1.《USB基礎知識概論》 

　　　　http://www.crifan.com/files/doc/docbook/usb_basic/release/html/usb_basic.html

　　2.《USB in a NutShell》

　　　　http://www.beyondlogic.org/usbnutshell/usb1.shtml

　　3.《USB開發大全（第四版）》

　　　　http://download.csdn.net/download/qqqq419276485/7839403

二、USB基礎知識

2.1 USB硬體知識

　　從物理上的邏輯結構來說，USB裝置包含了主機Host端和裝置Device端。其中，主機Host端，有對應的硬體的USB的主機控制器Host Controller；而裝置端，串連的是對應的USB裝置。USB的主機控制器有四種類型，分別是OHCI和UHCI，EHCI，和xHCI，它們之間的區別和聯絡如下表所示。

　　USB2.0的標準介面引腳定義如下，包含一根電源線，一根地線，兩根訊號線。USB3.0的介面引腳較多，在此不再展開，可參考文章《USB 2.0 A型、B型、Mini和Micro介面定義及封裝》 和《USB 3.0連接器引腳、介面定義及封裝尺寸》。值得一提的是，目前多數手機廠商已宣布統一使用Micro USB介面作為手機充電器標準介面。

2.2 USB軟體知識

　　要使USB裝置正常工作，除了硬體之外，還需要軟體的支援。對於USB裝置端來說，內部是需要有對應的裝置端驅動，稱其為韌體Firmware，它實現了裝置端USB所要做的事情，主要是相應一些標準的請求，完成對應的資料讀取和寫入等。對應的，在主機Host端，也需要對應的驅動，此部分驅動，不論是Linux下，還是Windows下，都已經實現了常見的驅動了，所以一般來說，很少需要驅動開發人員再去寫相關的驅動。

　　在裝置驅動開發階段或者USB出現問題，需要調試的時候，往往就需要一些USB調試工具了。一般來說，都包含了對應的USB硬體測試載入器，加上對應的軟體工具，去捕獲對應USB匯流排上的資料，即所謂的USB抓包，然後再去分析抓取出來的資料，是否是期望的，是否符合USB協議的規範定義。另外，當然也有一些USB開發相關的工具，具體工具可在網上查詢。

三、USB協議概覽

　　關於USB 2.0和USB 3.0等USB的協議規範，可以去官網下載：

http://www.usb.org/developers/docs/

USB協議的文檔頁數很多，沒必要看完整個USB標準。此處，就來簡單以USB 2.0規範為例，分析一下，具體其都主要包含哪些內容。你會發現，其實和USB協議本身相關的內容，相對則不會那麼多，大概只有97頁左右的內容，是我們所要關心的。

附錄1：USB 2.0標準協議規範筆記

第4章 架構概述

　　本章顯示了通用序列匯流排(Universal Serial Bus, USB)架構和重要概念的概述。USB是一種有線匯流排，支援主機電腦和大範圍同時可訪問的外設之間資料互動。附屬的外設通過一種主機調度和基於令牌的協議共用USB頻寬。匯流排允許外設在主機和其它外設在操作時依附，配置，使用和分離。

4.1 USB系統描述

　　USB系統被描述為三種定義域：
　> USB互連
　> USB裝置
　> USB主機

　　USB互連是USB裝置和主機之間串連與通訊的方式。包括下列部分：
　> 匯流排拓撲：USB裝置與主機之間的串連模型。
　> 內層聯絡：In terms of a capability stack, the USB tasks that are performed at each layer in the system.
　> 資料流模型：系統中資料通過USB在產生者與消費者之間移動的方式。
　> USB調度：USB提供了共用的內部串連。訪問內部串連是被調度的，為的是支援同步資料轉送並消除仲裁開銷。

4.1.1 匯流排拓撲

　　USB物理層內部串連是一種分層的星狀拓撲。USB hub位於每個星的中心。圖4-1闡述了USB的拓撲。

　　由於對於hub和線纜傳播時間的所允許時間的約束，所允許 最大的層次數是七層(包括root層)。由於七層的約束，主機和任何裝置之間的一條通訊線路中最多支援5個非root hub。4-1中的組合裝置，佔據了兩層，因此如果依附在第七層，它不能被使能。在第七層，只有功能(即圖中所表示的Func)可以被使能。

第5章 USB資料流模型

5.1 實現者視角

　　圖5-2顯示了一個較深的USB視圖，特別的，有四個重點實現地區：
　> USB物理裝置：USB線尾端的一小塊硬體，執行一些有用的終端使用者功能。
　> 用戶端軟體：在主機端執行的軟體，響應USB裝置。這個用戶端軟體典型地由作業系統提供或伴隨USB裝置提供。
　> USB系統軟體：在特定作業系統中支援USB的軟體。USB系統軟體典型地由作業系統提供，獨立於特定的USB裝置或用戶端軟體。
　> USB主機控制器(主機端匯流排介面)：使得USB裝置可以被串連到主機的硬體和軟體。

　　5-2所示，主機到裝置的簡單串連需要許多層與實體之間的互動。USB匯流排介面層提供主機與裝置間的物理/訊號/資料包的串連性。USB裝置層是USB系統軟體具有的視角，為的是與裝置間執行通常的USB操作。功能層通過一個恰當匹配的用戶端軟體層，向主機提供附加的能力。從層內視角來看，USB裝置層和功能層都有一個邏輯上的通訊，而實際上使用的是USB匯流排介面層來完成資料轉送。

　　物理視角的USB通訊如章節6、7和8中所描述，與章節9和10所講述的邏輯視角通訊有關聯。本章講述這些影響USB實現者的關鍵概念，應該被所有人閱讀。

　　為了描述和管理USB通訊，下列概念是重要的：
　> 匯流排拓撲：5.2講述了USB主要的物理和邏輯組件，以及它們如何相互關連。
　> 通訊流模型：5.3到5.8講述了主機與裝置間通過USB是如何通訊的，定義了四種USB傳輸類型。
　> 匯流排訪問管理：5.11講述了主機內的匯流排訪問是如何被管理的，以支援USB裝置大範圍的通訊流。
　> 等時傳輸的特殊考慮：5.12講述了USB對於需要等時資料轉送裝置的特殊性。對於非等時傳輸的裝置實現著不需要閱讀5.12。

5.2 匯流排拓撲

　　USB拓撲有四個主要部分：
　> 主機與裝置：USB系統的主要組件
　> 物理拓撲：USB單元如何串連
　> 邏輯拓撲：多種USB單元的角色和職責，從主機和裝置視角來看USB如何呈現
　> 用戶端軟體到功能的關聯：用戶端軟體同與它相關的USB裝置上的功能介面之間的如何看待彼此

5.2.1 USB主機

　　USB邏輯組成5-3所示，包含下列部分：
　> USB主機控制器
　> 整合的USB系統軟體(USB驅動，主機控制器驅動和主機軟體)
　> 用戶端

　　USB主機作為USB的協調實體佔據了一個獨特的位置。除了它特殊的物理層位置，主機對於USB以及他所附屬的裝置具有專門職責。主機控制所有對USB的訪問。USB裝置僅當被主句准許訪問時才能獲得對匯流排的訪問。主機也負責監視USB的拓撲。主機以及職責的完整討論，參考章節10。

5.2.2 USB裝置

　　USB物理裝置的邏輯構成5-4所示，包含下列部分：
　> USB匯流排介面
　> USB邏輯裝置
　> 功能

　　USB物理裝置對主機提供附加功能。USB裝置提供的功能類型非常廣泛。然而，所有的USB邏輯裝置對主機呈現了相同的基本介面。這允許主機以相同的方式管理不同USB裝置的USB相關方面。

　　為協助主機識別和配置USB裝置，每個裝置攜帶並報告配置相關資訊。所報告資訊的一部分對於所有邏輯裝置是相同的。其它資訊與裝置提供的功能相關。這種資訊的詳細格式非常多，取決於裝置的裝置類。USB裝置的完整討論參考章節9。

5.2.3 物理匯流排拓撲

　　USB上的裝置物理上通過一個分層的星狀拓撲串連，5-5中所闡述。USB依附點由一種被稱為集線器(hub)的特殊USB裝置類所提供。集線器提供的附加依附點被稱為連接埠(port)。主機中嵌入的集線器被稱為根集線器(root hub)。主機通過根集線器提供一個或多個依附點。提供給主機附加功能的USB裝置被稱為功能(function)。為了防止迴圈依附，分層的順序被施加在USB的星形拓撲。

5.2.4 邏輯匯流排拓撲

　　當裝置物理上依附到分層、星狀拓撲的USB，主機與每個邏輯裝置通訊有如它是被直接連接到根連接埠的，5-7所示，對應於圖5-5中所示的物理拓撲。集線器也是邏輯裝置，但為了簡化圖沒有在圖5-7中顯示。儘管絕大多數主機/邏輯裝置活動使用這一邏輯視圖，主機維護一個物理拓撲來支援移除集線器時的處理。當一個集線器被移除，所有依附於該集線器的裝置必須從主機視角的邏輯拓撲中被移除。

5.2.5 用戶端軟體到功能的關聯

　　儘管USB的物理和邏輯拓撲反映了匯流排的共用本性，但是用戶端軟體(CSw)操作USB功能介面被呈現為它只處理它感興趣的介面。圖5-8闡述了裝置設計者視角的用戶端軟體與USB功能之間的關係。

5.3 USB通訊流

　　USB提供了主機上軟體與它的USB功能之間的通訊服務。功能可以有針對不同的用戶端到功能互動的不同的通訊流需求。USB提供了更好的總體匯流排利用率，通過允許不同的通訊流到USB功能的分隔。每個通訊流利用一些訪問的匯流排來完成用戶端與功能之間的通訊。每個通訊流在裝置上的一個端點被終止。裝置端點被用於識別通訊流。

　　圖5-9顯示了圖5-2的一個更為詳細的視圖。圖5-2所支援的邏輯裝置和功能層通訊流的實際通訊流的完整定義。這些實際通訊流跨越幾個介面邊界。兩個主機端的軟體介面如下：
　> 主機控制器驅動(Host Controller Driver, HCD)：USB主機控制器與USB系統軟體之間的軟體介面。這個介面允許一定範圍內的主機控制器實現，而不需要所有的主機軟體依賴於任何特定實現。一個USB驅動可以支援不同的主機控制器，而不需要主機控制器實現的特定知識。主機控制器是實現者提供一個HCD實現來支援主機控制器。
　> USB驅動(USB Driver, USBD)：USB系統軟體與用戶端軟體之間的介面。這個介面提供給用戶端方便的函數來操作USB裝置。

　　USB邏輯裝置對於USB系統來講是端點的集合。端點分組成端點集來實現一個介面。介面被視為功能。USB系統軟體使用預設控制管道來管理裝置。用戶端軟體使用管道束(與一個端點集相關聯)操作一個介面。用戶端軟體請求資料通過USB在主機上的緩衝和USB裝置上的端點之間移動。主機控制器(或者是USB裝置，取決於傳輸方向)打包資料通過USB移動資料。

　　圖5-10闡述了端點與主機端記憶體緩衝之間如何通過管道傳遞通訊流的。

　　主機上的軟體通過一個通訊流集合與邏輯裝置進行通訊。通訊流的集合被裝置軟體/硬體設計者選擇來高效匹配裝置的通訊需求。

linux USB驅動資料

《LINUX裝置驅動程式》

USB骨架程式（usb-skeleton），是USB驅動程式的基礎，通過對它源碼的學習和理解，可以使我們迅速地瞭解USB驅動架構，迅速地開發我們自己的USB硬體的驅動。
前言
在上篇《Linux下的硬體驅動--USB裝置（上）（驅動配製部分）》中，我們知道了在Linux下如何去使用一些最常見的USB裝置。但對於做系統設計的程式員來說，這是遠遠不夠的，我們還需要具有驅動程式的閱讀、修改和開發能力。在此下篇中，就是要通過簡單的USB驅動的例子，隨您一起進入 USB驅動開發的世界。
USB驅動開發
在掌握了USB裝置的配置後，對於程式員，我們就可以嘗試進行一些簡單的USB驅動的修改和開發了。這一段落，我們會講解一個最基礎USB架構的基礎上，做兩個小的USB驅動的例子。
USB骨架
在Linux kernel源碼目錄中driver/usb/usb-skeleton.c為我們提供了一個最基礎的USB驅動程式。我們稱為USB骨架。通過它我們僅需要修改極少的部分，就可以完成一個USB裝置的驅動。我們的USB驅動開發也是從她開始的。
那些linux下不支援的USB裝置幾乎都是生產廠商特定的產品。如果生產廠商在他們的產品中使用自己定義的協議，他們就需要為此裝置建立特定的驅動程式。當然我們知道，有些生產廠商公開他們的USB協議，並協助Linux驅動程式的開發，然而有些生產廠商卻根本不公開他們的USB協議。因為每一個不同的協議都會產生一個新的驅動程式，所以就有了這個通用的USB驅動骨架程式， 它是以pci 骨架為模板的。
如果你準備寫一個linux驅動程式，首先要熟悉USB協議規範。USB首頁上有它的協助。一些比較典型的驅動可以在上面發現，同時還介紹了USB urbs的概念，而這個是usb驅動程式中最基本的。
Linux USB 驅動程式需要做的第一件事情就是在Linux USB 子系統裡註冊，並提供一些相關資訊，例如這個驅動程式支援那種裝置，當被支援的裝置從系統插入或拔出時，會有哪些動作。所有這些資訊都傳送到USB 子系統中，在usb骨架驅動程式中是這樣來表示的：
static struct usb_driver skel_driver = {
name: "skeleton",
probe: skel_probe,
disconnect: skel_disconnect,
fops: &skel_fops,
minor: USB_SKEL_MINOR_BASE,
id_table: skel_table,
};
變數name是一個字串，它對驅動程式進行描述。probe 和disconnect 是函數指標，當裝置與在id_table 中變數資訊匹配時，此函數被調用。
fops和minor變數是可選的。大多usb驅動程式鉤住另外一個驅動系統，例如SCSI，網路或者tty子系統。這些驅動程式在其他驅動系統中註冊，同時任何使用者空間的互動操作通過那些介面提供，比如我們把SCSI裝置驅動作為我們USB驅動所鉤住的另外一個驅動系統，那麼我們此USB裝置的 read、write等操作，就相應按SCSI裝置的read、write函數進行訪問。但是對於掃描器等驅動程式來說，並沒有一個匹配的驅動系統可以使用，那我們就要自己處理與使用者空間的read、write等互動函數。Usb子系統提供一種方法去註冊一個次裝置號和file_operations函數指標，這樣就可以與使用者空間實現方便......餘下全文>>
 
怎學習 linux下usb開發

你說的是USB的驅動開發嗎？如果是的話，可以推薦一本《Linux裝置驅動開發》。這裡面從最簡單的字元裝置一直到網路裝置，也包括USB開發，都介紹的很詳細，值得學習哦。