USB协议架构及驱动架构

1. USB协议

1.1 USB主机系统

       在USB主机系统中，通过根集线器与外部USB从机设备相连的处理芯片，称为USB主机控制器。USB主机控制器包含硬件、软件和固件一部分。

1.2 USB设备系统

        USB设备按功能分为两部分：集线器(Hub)和功能部件。从下图可知，主机通过根集线器连接到各种外围设备(集线器和功能部件)。

1.3 主机和设备之间通信模型
   

                                           主机与设备之间的通信模型

 1.4 USB分组标识

      PID分组码是数据传输流程中的重要元素。无论硬件还是软件，都要对PID分组码进行分析，从而做出正确响应。USB主机和设备严格按照PID分组码信息进行信息交互。

1.5 数据包传输模式

 1.5.2 控制(Control)传输

 1.5.3 中断传输事务

1.6 USB描述符

   其关系如下图所示：

1.6.1 设备描述符

      每个USB设备都有一个唯一的设备描述符，如下表所示：

1.6.2 配置描述符

   每个USB设备都有默认的配置描述符，支持至少一个接口，每个配置描述符如下表：

1.6.3 接口描述符

   设备应至少支持一个接口，如：块传输数据接口，部分设备可能支持其它的接口。复合设备可以支持额外接口，以支持音频和视频功能。标准中并没有定义此类接口。接口可能有多个可选设置，主机将会检查每个可选的设置。

   每个设备至少支持控制端点0。USB设备应该支持三类端点：控制端点、输入端点和输出端点。

 2. OTG协议

        OTG设备采用Mini-AB插座，相对于传统的USB数据线，Mini-AB接口多了一根数据线ID，ID线是否接入将Mini-AB接口分为Mini-A和Mini-B接口两种类型。在OTG设备之间数据连接的过程中，通过OTG数据线Mini-A和Mini-B接口来确定OTG设备的主从：接入Mini-A接口的设备默认为A设备(主机设备)；接入Mini-B接口的设备，默认为B设备(从设备)。

        A设备和B设备无需交换电缆接口，即可通过主机交换协议(HNP)实现A、B设备之间的角色互换。同时，为了节省电源，OTG允许总线空闲时A设备判断电源。此时，若B设备希望使用总线，可以通过会话请求协议(SRP)请求A设备提供电源。

2.1 HNP(主机交换)协议

    当Mini-A接口接入A设备并确定A设备为主机时；若B设备希望成为主机，则A设备向B设备发送SetFeature命令，允许B设备进行主机交换。B设备检测到总线挂起5ms后，即挂起D+并启动HNP，使总线处于SE0状态。此时A设备检测到总线处于SE0状态，即认为B设备发起主机交换，A设备进行响应。待B设备发现D+线为高电平而D-线为低电平(J状态)，表示A设备识别了B设备的HNP请求。B设备开始总线复位并具有总线控制权，主机交换协议完成。

2.2 SRP(会话请求)协议

3. USB驱动架构
 

      USB驱动架构如下图所示：

  3.1 USB主机端驱动

    USB核心(USBD)是整个USB驱动的核心部分，从上图可知，一方面USBD对接收到USB主机控制器的数据进行处理，并传递给上层的设备端驱动软件；同时也接收来自上层的非USB格式数据流，进行相应的数据处理后传递给USB主机控制器驱动。

    USB数据传输都以URB(USB Request Block)请求、URB生成、URB递交、URB释放为主线。从上图可知，当加载控制器驱动之后，注册根据集线器，hub和hcd驱动成为一个整体。接着，主机通过控制传输获取设备的控制描述符等信息，接着详述整个控制传输的流程。usb_submit_urb依据是否连接到根集线器来决定调用urb_enqueue或rh_urb_enqueue函数。
    USB从设备通过集线器或根集线器连接到USB主机上。比如：主机通过根集线器与外界进行数据交互，根集线器通过探测数据线状态的变化来通知USB主机是否有USB外围设备接入。

    在主机端控制器驱动加载的过程中，注册了根集线器，然后匹配了相应的hub驱动程序，同时完成了对Hub的轮询函数和状态处理函数的设置。这样，一旦hub集线器的状态发生变化，就会产生相应的中断，主机端控制器就会执行相应的中断处理函数，下图为hub驱动程序的流程图。

       USB Core中的usb_init()函数中完成了对hub线程(khubd，在usb_hub_init函数中真正地创建)的创建，然后完成相应设备的探测。主机端控制器驱动进行探测时，将hub驱动和主机端控制器驱动结合在一起，相互之间完成调用。 相对于大容量存储设备与主机之间通过控制/批量传输，集线器与主机之间通过中断/控制方式完成数据交互。

3.2 USB设备端驱动

3.2.1 设备控制器驱动

上图为设备端控制器基本架构，主要完成了Gadget驱动和控制器驱动绑定、usb_gadget_register_driver注册。

3.3 OTG驱动

       OTG设备支持HNP和SRP协议。OTG设备通过USB OTG电缆连接到一起，其中接Mini-A接口的设备为A设备，默认为主机端，Mini-B接口的设备默认为B设备。当A、B设备完成数据交互之后，A、B设备之间的USB OTG电缆进入挂起状态，如下图所示：

        当B设备写入b_bus_req，向A设备发起HNP请求。待A设备响应之后，A设备发送a_set_b_hnp_en，B设备响应之后即进入主机状态，同时发送请求使用A设备set_device，这样A、B设备完成主从交换。

4. USB 传输流程

 4.1 USB初始化过程

       USB驱动作为一个系统，集成了众多的驱动模块，注册过程非常复杂。从USB系统的角度来说，USB主机驱动主要包含：

       1) USB核驱动

       2) 主机控制器驱动

       3) 集线器驱动

       驱动的加载执行流程如下图所示：

   USB驱动从USB子系统的初始化开始，USB子系统的初始化在文件driver/usb/core/usb.c

subsys_initcall(usb_init); module_exit(usb_exit);

        subsys_initcall()是一个宏，可以理解为module_init()。由于此部分代码非常重要，开发者把它看作一个子系统，而不仅仅是一个模块。USB Core这个模块代表的不是某一个设备，而是所有USB设备赖以生存的模块。在Linux中，像这样一个类别的设备驱动被归结为一个子系统。subsys_initcall(usb_init)告诉我们，usb_init才是真正的初始化函数，而usb_exit将是整个USB子系统结束时的清理函数。

4.1.2 主机控制器的初始化及驱动执行(以EHCI为例)

4.1.3 注册集线器

 4.2 URB传输过程

    USB初始化过程中，无论是主机控制器驱动还是根集线器驱动，都是通过URB传输获取设备信息。

4.2.1 申请URB

    struct urb *usb_alloc_urb(int iso_packets, gfp_t mem_flags)
    为urb分配内存并执行初始化。

4.2.2 初始化URB

    初始化具体的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)

   若为root hub，将调用rh_urb_enqueue()，共有两种传输事务(控制传输和中断传输)

static int rh_urb_enqueue (struct usb_hcd *hcd, struct urb *urb) { if (usb_endpoint_xfer_int(&urb->ep->desc)) // 中断传输 return rh_queue_status (hcd, urb); if (usb_endpoint_xfer_control(&urb->ep->desc)) // 控制传输 return rh_call_control (hcd, urb); return -EINVAL; }

   b) 非root_hub传输
   对于非常root_hub传输，它调用:
   status = hcd->driver->urb_enqueue(hcd, urb, mem_flags);

   c) 批量传输
   root_hub本身没有批量传输流程，按照控制传输流程，控制传输最终要通过switch语句跳转到Bulk-Only传输流程中。