Linux USB子系统（一）—— USB设备基础概念

一.基础概念

在终端用户看来，USB设备为主机提供了多种多样的附加功能，如文件传输，声音播放等，但对USB主机来说，它与所有USB设备的接口都是一致的。一个USB设备由3个功能模块组成：USB总线接口、USB逻辑设备和功能单元：

a -- 这里的USB总线接口指的是USB设备中的串行接口引擎（SIE）；

b -- USB逻辑设备被USB系统软件看作是一个端点的集合；

c -- 功能单元被客户软件看作是一个接口的集合。SIE、端点和接口都是USB设备的组成单元；

为了更好地描述USB设备的特征，USB提出了设备架构的概念。从这个角度来看，可以认为USB设备是由一些配置、接口和端点组成，即一个USB设备可以含有一个或多个配置，在每个配置中可含有一个或多个接口，在每个接口中可含有若干个端点。其中，配置和接口是对USB设备功能的抽象，实际的数据传输由端点来完成。在使用USB设备前，必须指明其采用的配置和接口。这个步骤一般是在设备接入主机时设备进行枚举时完成的

这些单元之间的关系如下：

设备通常有一个或多个配置；

配置通常有一个或多个接口；

接口通常有一个或多个设置；

接口有零或多个端点。

这样的概念太抽象了，可以这样看：有一个设备，如支持视频和音频的一个播放器。那么，对于上面提到的4个描述符，对它们设置的时候，它们分别对于哪一个描述符呢？

从我现在的理解来看，这样一个设备对应一个设备描述符，支持视频的功能对应一个接口描述符，支持音频功能的对应一个接口描述符。为了支持视频，在下层有多个端口同时工作为提供视频数据传输的支持，所以有多个端点描述符。

二.USB描述符

USB设备使用各种描述符来说明其设备架构，包括设备描述符、配置描述符、接口描述符、端点描述符和字符串描述符，他们通常被保存在USB设备的固件程序中。

路径：include/uapi/linux/usb/ch9.h

1、设备描述符

设备代表一个USB设备，它由一个或多个配置组成。设备描述符用于说明设备的总体信息，并指明其所含的配置的个数。一个USB设备只能有一个设备描述符。

struct usb_device_descriptor {
    __u8  bLength; ///长度
    __u8  bDescriptorType; ///描述符类型

    __le16 bcdUSB; //USB spec的版本号，一个设备如果能够进行高速传输，那么它设备描述符里的bcdUSB这一项就应该为0200H。
    __u8  bDeviceClass;///设备类型
    __u8  bDeviceSubClass;///设备子类型
    __u8  bDeviceProtocol;///协议
    __u8  bMaxPacketSize0;///最大传输大小
    __le16 idVendor;///厂商 ID
    __le16 idProduct;///设备 ID
    __le16 bcdDevice;/// 设备版本号
    __u8  iManufacturer; //描述厂商字符串的索引
    __u8  iProduct; //描述产品字符串的索引
    __u8  iSerialNumber;///序列号
    __u8  bNumConfigurations;/// 设备当前速度模式下支持的配置数量。有的设备可以在多个速度模式下操作，这里包括的只是当前速度模式下的配置数目，不是总的配置数目
} __attribute__ ((packed));

2、配置描述符

一个USB设备可以包含一个或多个配置，如USB设备的低功耗模式和高功耗模式可分别对应一个配置。在使用USB设备前，必须为其选择一个合适的配置。配置描述符用于说明USB设备中各个配置的特性，如配置所含接口的个数等。USB设备的每一个配置都必须有一个配置描述符。

struct usb_config_descriptor {
	__u8  bLength;                //描述符长度
	__u8  bDescriptorType;        //这里的值并不仅仅可以为USB_DT_CONFIG，还可以为USB_DT_OTHER_SPEED_CONFIG

    __le16 wTotalLength;         //使用GET_DESCRIPTOR请求从设备里获得配置描述符信息时，返回的数据长度
    __u8  bNumInterfaces;       //这个配置包含的接口数量
    __u8  bConfigurationValue;    //对于拥有多个配置的幸运设备来说，可以拿这个值为参数，使用SET_CONFIGURATION请求来改变正在被使用的 USB配置，bConfigurationValue就指明了将要激活哪个配置。咱们的设备虽然可以有多个配置，但同一时间却也只能有一个配置被激活。捎带着提一下，SET_CONFIGURATION请求也是标准的设备请求之一，专门用来设置设备的配置。
    __u8  iConfiguration;      //描述配置信息的字符串描述符的索引值
    __u8  bmAttributes;         //这个字段表征了配置的一些特点，比如bit 6为1表示self-powered，bit 5为1表示这个配置支持远程唤醒。另外，它的bit 7必须为1
    __u8  bMaxPower;          //设备正常运转时，从总线那里分得的最大电流值，以2mA为单位。设备可以使用这个字段向hub表明自己需要的的电流，但如果设备需求过于旺盛，请求的超出了hub所能给予的，hub就会直接拒绝还记得struct usb_device结构里的bus_mA吗？它就表示hub所能够给予的。计算机的usb端口可以提供最多500mA的电流
} __attribute__ ((packed));

3、接口描述符

一个配置可以包含一个或多个接口，例如对一个光驱来说，当用于文件传输时，使用其大容量存储接口；而当用于播放CD时，使用其音频接口。接口是端点的集合，可以包含一个或多个可替换设置，用户能够在USB处于配置状态时改变当前接口所含的个数和特性。接口描述符用于说明设备中各个接口的特性，如接口所属的设备类及其子类等。USB设备的每个接口都必须有一个接口描述符

struct usb_interface_descriptor
{
     __u8  bLength;//接口描述符长度
    __u8 bDescriptorType;//接口描述符类型  

    __u8 bInterfaceNumber;//接口号。每个配置可以包含多个接口，这个值就是它们的索引值。
    __u8 bAlternateSetting;//接口使用的是哪个可选设置。协议里规定，接口默认使用的设置总为0号设置。
    __u8 bNumEndpoints;//接口拥有的端点数量。这里并不包括端点0，因为端点0是控制传输，是所有的设备都必须提供的，所以这里就没必要多此一举的包括它了。对于hub，因为它的传输是中断传输，所以此值为1（不包括端点0）
    __u8 bInterfaceClass;  //接口类型
    __u8 bInterfaceSubClass;//接口子类型。对于hub，这个值是零
    __u8 bInterfaceProtocol;  //接口所遵循的协议
    __u8 iInterface;  //描述该接口的字符串索引值

} __attribute__ ((packed));

4、端点描述符

端点是USB设备中的实际物理单元，USB数据传输就是在主机和USB设备各个端点之间进行的。端点一般由USB接口芯片提供，例如Freescale公司的MC68HC908JB8和MC9S12UF32。USB设备中的每一个端点都有唯一的端点号，每个端点所支持的数据传输方向一般而言也是确定的：或是输入（IN），或是输出（OUT）。也有些芯片提供的端点的数据方向是可以配置的，例如MC68HC908JB8包含有两个用于数据收发的端点：端点1和端点2。其中端点1只能用于数据发送，即支持输入（IN）操作；端点2既能用于数据发送，也可用于数据接收，即支持输入（IN）和输出（OUT）操作。而MC9S12UF32具有6个端点。

利用设备地址、端点号和传输方向就可以指定一个端点，并与它进行通信。端点的传输特性还决定了其与主机通信是所采用的传输类型，例如控制端点只能使用控制传输。根据端点的不同用途，可将端点分为两类：0号端点和非0号端点。

0号端点比较特殊，它有数据输入IN和数据输出OUT两个物理单元，且只能支持控制传输。所有的USB设备都必须含有一个0号端点，用作默认控制管道。USB系统软件就是使用该管道与USB逻辑设备进行配置通信的。0号端点在USB设备上的以后就可以使用，而非0号端点必须要在配置以后才可以使用。

根据具体应用的需要，USB设备还可以含有多个除0号端点以外的其他端点。对于低速设备，其附加的端点数最多为2个；对于全速/高速设备，其附加的端点数最多为15个。

struct usb_endpoint_descriptor {   ///USB 端点描述符(每个USB设备最多有16个端点)
	__u8  bLength;             ///描述符的字节长度
    __u8  bDescriptorType;        ///描述符类型，对于端点就是USB_DT_ENDPOIN
    __u8  bEndpointAddress;    ///bit0~3表示端点地址，bit8 表示方向，输入还是输出
    __u8  bmAttributes;        ///属性(bit0、bit1构成传输类型，00--控制，01--等时，10--批量，11--中断)
  	__le16 wMaxPacketSize;        ///端点一次可以处理的最大字节数
  	__u8  bInterval;            ///希望主机轮询自己的时间间隔

     /* NOTE:  these two are _only_ in audio endpoints. */
      /* use USB_DT_ENDPOINT*_SIZE in bLength, not sizeof. */
    __u8  bRefresh;  //对于批量传送的端点以及控制传送的端点，此域忽略
    __u8  bSynchAddress; //对于同步传送的端点，此域必须为1
} __attribute__ ((packed));

5、字符串描述符

在USB设备中通常还含有字符串描述符，以说明一些专用信息，如制造商的名称、设备的序列号等。它的内容以UNICODE的形式给出，且可以被客户软件所读取。对USB设备来说，字符串描述符是可选的。

struct usb_string_descriptor
{
    _ _u8 bLength; //描述符长度
    _ _u8 bDescriptorType; //描述符类型

    _ _le16 wData[1];
} _ _attribute_ _ ((packed));

6、管道

在USB系统结构中，可以认为数据传输时在USB主机软件与USB设备的各个端点之间直接进行的，它们之间的连接称为管道。管道是在USB设备的配置过程中建立的。管道是对USB主机与USB设备间通信流的抽象，表示USB主机的数据缓冲区与USB设备的端点之间存在着逻辑数据传输，而实际的数据传输是由USB总线接口层来完成的。

管道与USB设备中的端点一一对应。一个USB设备含有多少个端点，其与USB主机进行通信时就可以使用多少条管道，且端点的类型决定了管道中数据的传输类型，例如中断端点对应中断管道，且该管道只能进行中断传输。不论存在着多少条管道，在各个管道中进行的数据传输都是相互独立的。

7、USB端点分类

USB 通讯的最基本形式是通过端点。一个USB端点只能向一个方向传输数据（从主机到设备(称为输出端点)或者从设备到主机(称为输入端点)）。端点可被看作一个单向的管道。

USB 端点有 4 种不同类型, 分别具有不同的数据传送方式：

1) 控制CONTROL 

控制端点被用来控制对USB设备的不同部分访问. 通常用作配置设备、获取设备信息、发送命令到设备或获取设备状态报告。这些端点通常较小。每个 USB 设备都有一个控制端点称为"端点 0", 被 USB 核心用来在插入时配置设备。USB协议保证总有足够的带宽留给控制端点传送数据到设备.

2) 中断INTERRUPT 

每当 USB 主机向设备请求数据时，中断端点以固定的速率传送小量的数据。此为USB 键盘和鼠标的主要的数据传送方法。它还用以传送数据到USB设备来控制设备。通常不用来传送大量数据。USB协议保证总有足够的带宽留给中断端点传送数据到设备.

3) 批量BULK

批量端点用以传送大量数据。这些端点通常比中断端点大得多. 它们普遍用于不能有任何数据丢失的情况。USB 协议不保证传输在特定时间范围内完成。如果总线上没有足够的空间来发送整个BULK包，它被分为多个包进行传输。这些端点普遍用于打印机、USB Mass Storage和USB网络设备上。

4) 等时ISOCHRONOUS 

等时端点也批量传送大量数据, 但是这个数据不被保证能送达。这些端点用在可以处理数据丢失的设备中，并且更多依赖于保持持续的数据流。如音频和视频设备等等。

控制和批量端点用于异步数据传送，而中断和等时端点是周期性的。这意味着这些端点被设置来在固定的时间连续传送数据，USB 核心为它们保留了相应的带宽。

参考：

Linux USB 驱动开发（一）—— USB设备基础概念_知秋一叶-CSDN博客_linux usb设备开发

Linux USB基础之描述符（一）_枫潇潇-CSDN博客_linux 设备描述符