带你遨游USB世界

2020-07-21 09:47:46 浏览数 (1)

1、什么是USB

USB的全称是Universal Serial Bus,通用串行总线。它的出现主要是为了简化个人计算机与外围设备的连接，增加易用性。USB支持热插拔，并且是即插即用的，另外，它还具有很强的可扩展性，传输速度也很快，这些特性使支持USB接口的电子设备更易用、更大众化。

本文将从USB协议、枚举流程、host和device驱动等各方面，全面介绍Linux USB模块的工作原理和代码流程，下面就请随我一起，遨游多姿多彩而又复杂严谨的USB世界吧~

2、USB传输基础知识介绍

2.1、USB金字塔型拓扑结构

2.1.1、USB协议基础

塔顶为USB主控制器和根集线器(Root Hub)，下面接USB集线器(Hub)，集线器将一个USB口扩展为多个USB口，USB2.0规定集线器的层数最多为6层，理论上一个USB主控制器最多可接127个设备，因为协议规定USB设备具有一个7 bit的地址(取值范围为0~127，而地址0是保留给未初始化的设备使用的)。

2.1.2、NRZI编码

USB采用差分信号传输，使用的是如上图所示的NRZI编码方式：数据为0时，电平翻转；数据为1时，电平不翻转。如果出现6个连续的数据1，则插入一个数据0，强制电平翻转，以便时钟同步。上面的一条线表示的是原始数据序列，下面的一条线表示的是经过NRZI编码后的数据序列。

2.1.3、包(packet)格式

USB总线上的传输数据是以包为基本单位的，包格式如上图所示。根据PID的不同，USB协议中规定的包类型有令牌包、数据包、握手包和特殊包等。

USB芯片（硬件）会完成CRC校验、位填充、PID识别、数据包切换、握手等协议处理。

2.1.4、USB数据传输规范和约定
  1. USB传输是主从模式，主机负责发起数据传输过程，从机负责应答。
  2. USB传输使用小端结构(Little-Endian),一个字节在USB总线上的传输先后顺序为：b0 b1 b2 …b7 (与I2C相反,I2C是大端结构)。
  3. 数据传输方向均以主机为参考

比如启动USB传输的令牌包名称

IN令牌包 用来通知设备返回一个数据包

数据包的传输方向：主机←从机( IN )

OUT令牌包 用来通知设备将要输出一个数据包

数据包的传输方向：主机→从机( OUT )

2.1.5、四种传输模式

针对不同的数据传输场景，USB分为四种数据传输模式，这四种传输模式分别由不同的包(packet)组成，并且有不同的数据处理策略。每种数据传输模式的流程示意图以及应用场景如下：

  1. 控制传输—— Control Transfers

用于枚举过程，要保证数据传输过程的数据完整性。

  1. 批量传输—— Bulk Transfers

用于数据量大、对实时性要求不高的场合，如U盘。

  1. 中断传输—— Interrupt Transfers

用于数据量小的场合，保证查询频率，如鼠标、键盘。

  1. 同步传输(等时传输)—— Isochronous Transfers

用于数据量大、同时对实时性要求较高的场合，如音视频。

不保证数据完整性，没有ACK/NAK应答包，不进行数据重传。

2.1.6、USB设备结构及描述符

一个USB设备通常有一个或多个配置，但在同一时刻只能有一个配置；

一个配置通常有一个或多个接口；

一个接口通常有一个或多个端点；

驱动是绑定到USB接口上的，而不是整个USB设备。

枚举过程中，device将各种描述符返回给host。

2.2、Linux USB驱动总体结构

Linux USB驱动总体结构图

从Host侧看，在Linux驱动中，处于USB驱动最底层的是USB主机控制器硬件，在其上运行的是USB主机控制器驱动，在主机控制器上的为USB核心层，再上层为USB设备驱动层（插入主机上的U盘、鼠标、USB转串口等设备驱动）。主机控制器驱动负责识别和控制插入其中的USB设备，USB设备驱动控制USB设备如何与主机通信，USB Core则负责USB驱动管理和协议处理的主要工作。

从Device侧看，UDC驱动程序直接访问硬件，控制USB设备和主机间的底层通信。Gadget API是UDC驱动程序回调函数的包装。Gadget Driver具体控制USB设备功能的实现。

2.3、USB描述符

对应上述USB设备的构成，USB采用描述符来描述USB设备的属性，在USB协议的第九章(chaper 9)中，有对USB描述符的详细说明，在Linux驱动的以下文件中，定义了USB描述符的结构体，文件名直接命名为ch9.h。

设备描述符结构体

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/* USB_DT_DEVICE: Device descriptor */

struct usb_device_descriptor {

__u8 bLength; //该描述符结构体大小（18字节）

__u8 bDescriptorType; //描述符类型（本结构体中固定为0x01)

__le16 bcdUSB; //USB 版本号

__u8 bDeviceClass; //设备类代码（由USB官方分配）

__u8 bDeviceSubClass; //子类代码（由USB官方分配）

__u8 bDeviceProtocol; //设备协议代码（由USB官方分配）

__u8 bMaxPacketSize0; //端点0的最大包大小（有效大小为8,16,32,64）

__le16 idVendor; //生产厂商编号（由USB官方分配）

__le16 idProduct; //产品编号（制造厂商分配）

__le16 bcdDevice; //设备出厂编号

__u8 iManufacturer; //设备厂商字符串索引

__u8 iProduct; //产品描述字符串索引

__u8 iSerialNumber; //设备序列号字符串索引

__u8 bNumConfigurations; //当前速度下能支持的配置数量

} __attribute__ ((packed));

配置描述符结构体

代码语言：javascript复制
struct usb_config_descriptor {

__u8 bLength; //该描述符结构体大小

__u8 bDescriptorType; //描述符类型（本结构体中固定为0x02)

__le16 wTotalLength; //此配置返回的所有数据大小

__u8 bNumInterfaces; //此配置的接口数量

__u8 bConfigurationValue; //Set_Configuration 命令所需要的参数值

__u8 iConfiguration; //描述该配置的字符串的索引值

__u8 bmAttributes; //供电模式的选择

__u8 bMaxPower; //设备从总线提取的最大电流

} __attribute__ ((packed));

接口描述符结构体

代码语言：javascript复制
struct usb_interface_descriptor {

__u8 bLength; //该描述符结构大小

__u8 bDescriptorType; //接口描述符的类型编号(0x04）

__u8 bInterfaceNumber; //接口描述符的类型编号(0x04）

__u8 bAlternateSetting; //接口描述符的类型编号(0x04）

__u8 bNumEndpoints; //该接口使用的端点数，不包括端点0

__u8 bInterfaceClass; //接口类型

__u8 bInterfaceSubClass; //接口子类型

__u8 bInterfaceProtocol; //接口遵循的协议

__u8 iInterface; //描述该接口的字符串索引值

} __attribute__ ((packed));

端点描述符结构体

代码语言：javascript复制
struct usb_endpoint_descriptor {

__u8 bLength; //端点描述符字节数大小（7个字节）

__u8 bDescriptorType; //端点描述符类型编号（0x05)

__u8 bEndpointAddress; //端点地址及输入输出属性

__u8 bmAttributes; //端点的传输类型属性

__le16 wMaxPacketSize; //端点收、发的最大包大小

__u8 bInterval; //主机查询端点的时间间隔

/* NOTE: these two are _only_ in audio endpoints. */

/* use USB_DT_ENDPOINT*_SIZE in bLength, not sizeof. */

__u8 bRefresh; //声卡用到的变量

__u8 bSynchAddress;

} __attribute__ ((packed));

3、USB枚举

3.1、枚举示意图

USB枚举实际上是host检测到device插入后，通过发送各种标准请求，请device返回各种USB描述符的过程。USB枚举的示意图如下：

3.2、USB标准请求的结构

上述提及的USB标准请求的结构如下：

3.2、USB标准请求的结构

上述提及的USB标准请求的结构如下：

3.3、枚举过程数据流抓取

用Bus Hound抓取的枚举过程数据流，device侧USB配置（功能组合）为mtp adb

数据示意图如下：

4、USB gadget驱动分析

4.1、USB gadget功能框架

4.2、USB gadget驱动代码流程图

4.3、MTP interface开机启动流程代码分析

根据上面所讲的结构框图和代码流程图，结合MTP interface的实际运行流程，分析如下：

1）系统开机时，kernel启动init进程启动zygote启动孵化出SystemServer进程USB Service等一系列Service启动UsbManager启动UsbDeviceManager启动。

2）UsbDeviceManager.java

3）init.qcom.usb.rc

usb属性配置文件

4）android.c

接收属性节点的值；向framework发送usb状态改变的uevent

5）f_mtp.c

mtp驱动文件

映射到文件节点/dev/mtp_usb ：

配置mtp interface的描述符：

4.4 MTP传输启动流程代码分析

在"PC和Android设备建立MTP连接"后，UsbManager向MtpReceiver发送广播，接着MtpReceiver会启动MtpService，MtpService会启动MtpServer(Java层)，MtpServer(Java)层会调用底层的JNI函数。在JNI中，会打开MTP文件节点"/dev/mtp_usb"，然后调用MtpServer对象的run()方法不断的从中读取消息并进行处理。

1）frameworksavmediamtpMtpServer.cpp

2）kerneldriversusbgadgetf_mtp.c

5、USB host驱动分析

5.1、URB

USB请求块(USB Request Block,URB)是USB设备驱动中用来描述与USB设备通信所用的基本载体和核心数据结构。

一个URB用来向一个特定USB设备的特定USB端点发送数据或接收数据。设备中的每个端点都处理一个URB队列。

URB的处理流程：

5.2、鼠标驱动

在Linux kernel中，drivershidusbhidhiddev.c和drivershidusbhidusbmouse.c两个驱动文件均可以支持USB鼠标，具体使用哪个驱动，取决于kernel的编译配置。下面我们就以drivershidusbhidusbmouse.c这个驱动文件为例，分析USB鼠标的驱动代码流程。

USB鼠标遵循USB HID(Human Interface Device)规范。

在probe中探测设备是否符合HID规范，并且创建和初始化URB:

在usb_mouse_open函数中提交URB:

执行回调函数，向user space上报input事件：

5.3、U盘驱动

5.3.1、U盘驱动框架

如上图所示，USB Device Driver识别到U盘设备后，还需要将U盘模拟为SCSI(小型计算机系统接口)设备，才能与User Space进行数据传输。相关代码路径如下：

代码语言：javascript复制
driversusbstorageunusual_devs.h //添加非常规设备的参数

driversusbstorageusb.c          //USB Device Driver

driversusbstoragescsiglue.c      //SCSI Driver
5.3.2、U盘mount流程

Linux Kernel将U盘模拟为SCSI设备后，会向vold(volume deamon)发送如下格式的Uevent：

vold的NetlinkManager接收到uevent消息后，只处理SUBSYSTEM=block的消息：

代码语言：javascript复制
systemvoldNetlinkHandler.cpp

并按以下流程完成U盘的mount：

其中vold的process_config函数会根据配置文件配置VM对象：

systemvoldmain.cpp

配置文件路径：

代码语言：javascript复制
deviceqcommsm_xxxfstab.qcom

最后，vold的handlePartitionAdded函数识别并mount设备的所有分区:

systemvoldDirectVolume.cpp

存储 linux kernel

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