一、USB的一些基本概念

  1. 管道(Pipe) 是主机和设备端点之间数据传输的模型，共有两种类型的管道：无格式的
    流管道（Stream Pipe）和有格式的信息管道（Message Pipe）。任何USB 设备一旦上电就存在
    一个信息管道，即默认的控制管道，USB 主机通过该管道来获取设备的描述、配置、状态，并
    对设备进行配置。

  2. 端点(Endpoint) 是USB 设备中的可以进行数据收发的最小单元，支持单向或者双向的数据传
    输。设备支持端点的数量是有限制的，除默认端点外低速设备最多支持2 组端点（2 个输入，2
    个输出），高速和全速设备最多支持15 组端点。

  3. 接口(Interface) 应用软件通过和设备之间的数据交换来完成设备的控制和数据传输。通常
    需要多个管道来完成数据交换，因为同一管道只支持一种类型的数据传输。用在一起来对设备进
    行控制的若干管道称为设备的接口.

  4. 设备和端点之间关系: 一个USB 设备可以包括若干个端点，不同的端点以端点编号和方向区分。
    不同端点可以支持不同的传输类型、访问间隔以及最大数据包大小。除端点0 外，所有的端点只支
    持一个方向的数据传输。端点0 是一个特殊的端点，它支持双向的控制传输。管道和端点关联，和
    关联的端点有相同的属性，如支持的传输类型、最大包长度、传输方向等。

  5. 描述符(Descriptor) 描述设备的属性(Attributes). 它本身是一个数据结构, 第一个字节表示
    描述符的大小(字节数), 第二个字节表示描述符的类型(Type). 描述符的种类有:
    [外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-8OH40HxS-1635519762323)(http://2.eewimg.cn/news/uploadfile/2015/0821/20150821024907829.png)]

  1. 设备描述符(Device), 描述一个设备的一般信息.
    [外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-5R2ZjWIj-1635519762324)(http://2.eewimg.cn/news/uploadfile/2015/0821/20150821024907255.png)]
  2. 设备修饰描述符(Device_Qualifier), 描述一个高速设备在其它速度下该如何变化的信息.
  3. 配置描述符(Configuration), 描述一个特定的设备配置, 如接口的数目等. 一个USB设备有一个或多个配置描述符. 每个配置有一个或多个接口并且每个接口有0个或多个端点.
    [外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-JkB3AUZo-1635519762325)(http://2.eewimg.cn/news/uploadfile/2015/0821/20150821024908442.png)]
  4. 其它速度配置描述符(Other_speed_configuration), 描述高速设备在其它可能的速度下的
    一个配置.
  5. 接口描述符(Interface), 描述一种配置中的一个特定的接口.
  6. 端点描述符(Endpoint), 描述主机需要的去决定端点所需带宽的信息. 这个描述符只能附加在GetDescriptor()或GetDescriptor()请求中传送, 不能单独传送. 端点0没有此描述符.
    [外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-fewnmTJt-1635519762326)(http://2.eewimg.cn/news/uploadfile/2015/0821/20150821024908675.png)]
    [外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-hGob3BIf-1635519762327)(http://2.eewimg.cn/news/uploadfile/2015/0821/20150821024908690.png)]
  7. 字符串描述符(String), 第0个字符串描述符指定设备支持的语言, 其它的描述符则各包含
    一个UNICODE字符串. 设备描述符, 配置描述符 和 接口描述符可能会包含字符串描述符.
  1. USB设备请求(USB Device Request) 请求是从主机通过控制管道发送到设备.
    标准的设备请求有:
  1. Clear Feature
  2. Get Configuration
  3. Get Descriptor
  4. Get Interface
  5. Get Status
  6. Set Address
  7. Set Configuration
  8. Set Descriptor
  9. Set Feature
  10. Set Interface
  11. Synch Frame

二、USB3.0系统拓扑结构

系统是最多只能有7层的树状结构
最多只能支持127个设备和Hub
Host+RootHub永远是在第一层
复合(Compound)设备一般占两层
功能设备不能作为非叶节点, 只有Hub才可以

USB3.0 Hub其实包含了一个USB2的Hub和一个SuperSpeed Hub

三、 USB3.0的重要特性:

  1. 增加了一个重要的数据传输速率
  2. 点对点方式传输包, 使活动链路数目达到最少
  3. 异步方式的通知功能, 去除了轮询方式的必要
  4. 基于链路级的电源管理, 这是总线结构的基础设计
  5. 向后兼容USB2.0, 驱动级和物理层级别上都达到了兼容的目的

四、USB3.0与USB2.0的区别

  1. 数据传输速率, 3.0是SuperSpeed 5.0Gbps,
    2.0是 1.5Mbps, 12Mbps或480Mbps

  2. 数据接口, 3.0是全双工,独立于USB 2.0信号的四路差分信号,支持同时双向数据传输
    2.0是半双工,双路差分信号, 单向数据传输, 需要事先协商好总路线的传输方向

  3. 信号线数目, 3.0是4路SuperSpeed数据线, 2路HighSpeed数据线和2路电源及地线
    2.0是2路LS/FS/HS数据线, 2路电源及地线

  4. 总线事务协议, 3.0是主机主导的异步方式的传输流量控制, 包传输是能显式地进行路由
    2.0是主机主导的轮询方式的传输流量控制, 包传输是通过广播方式到所有设备

  5. 电源管理, 3.0是多级别的链路电源管理, 支持Idle, sleep和suspend状态
    2.0是在端口级进行管理, 可以在entry/exit上有两种级别的挂机状态

  6. 总线电源, 3.0是和USB 2.0差不多, 只是未配置的电源有50%的增幅, 已配置的电源有80%的增幅

  7. 主机控制器，3.0用的是xHCI，2.0则是EHCI。xHCI中提供了虚拟化技术支持。

五、USB3.0电源状态

  1. U0, Link active
  2. U1, Link idle – fast exit. 退出延时us级
  3. U2, Link idle – slow exit. 退出延时us-ms级
  4. U3, Link suspend. 无时钟信号, 退出延时us-ms级

六、USB3.0数据包类型

  1. Link Management Packets, 链路管理包, 仅发生在两个相连的端口之间,主要是用来进行链路管理
  2. Transaction Packets, 事务包, 发生在设备和主机之间, 用来控制数据包的流量, 配置设备和Hubs. 它没有数据
  3. Data Packets, 数据包, 发生在设备和主机之间. 它包括两部分:包头和实际数据. 其中数据部分还包括一个32位的CRC校验码来保证数据的完整性.
  4. Isochronous Timestamp Packets, 同步时间戳包, 它是唯一的多播方式发送的. 发送方向是从主机到所有U0状态的设备.

七、USB传输类型

1. 控制传输(Control Transfers)
控制传输是一种可靠的双向传输，一次控制传输可分为三个阶段。

第一阶段为从HOST 到Device 的SETUP 事务传输，这个阶段指定了此次控制传输的请求类型；
第二阶段为数据阶段，也有些请求没有数据阶段；
第三阶段为状态阶段，通过一次IN/OUT 传输表明请求是否成功完成。

控制传输通过控制管道在应用软件和Device 的控制端点之间进行，控制传输过程中传输的数据是
有格式定义的，USB 设备或主机可根据格式定义解析获得的数据含义。其他三种传输类型都没有格式定义。

控制传输对于最大包长度有固定的要求。对于高速设备该值为64Byte；对于低速设备该值为8；全速设备
可以是8 或16 或32 或64。
[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-ggQAbtj4-1635519762327)(http://2.eewimg.cn/news/uploadfile/2015/0821/20150821024907614.png)]
2. 批量传输(Bulk Transfers)
批量传输是一种可靠的单向传输，但延迟没有保证，它尽量利用可以利用的带宽来完成传输，适合数据量比较大的传输。

低速USB 设备不支持批量传输，高速批量端点的最大包长度为512，全速批量端点的最大包长度可以为8、16、32、64。

批量传输在访问USB 总线时，相对其他传输类型具有最低的优先级，USB HOST 总是优先安排其他类型的传输，
当总线带宽有富余时才安排批量传输。高速的批量端点必须支持PING 操作，向主机报告端点的状态，NYET
表示否定应答，没有准备好接收下一个数据包，ACK 表示肯定应答，已经准备好接收下一个数据包。
[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-FsxxXdY6-1635519762328)(http://2.eewimg.cn/news/uploadfile/2015/0821/20150821024907113.png)]
3. 中断传输(Interrupt Transfers)
中断传输是一种轮询的传输方式，是一种单向的传输，HOST 通过固定的间隔对中断端点进行查询，若有
数据传输或可以接收数据则返回数据或发送数据，否则返回NAK，表示尚未准备好。中断传输的延迟有保
证，但并非实时传输，它是一种延迟有限的可靠传输，支持错误重传。

对于高速/全速/低速端点，最大包长度分别可以达到1024/64/8 Bytes。高速中断传输不得占用超过80%的
微帧时间，全速和低速不得超过90%。中断端点的轮询间隔由在端点描述符中定义，全速端点的轮询间隔可
以是1255mS，低速端点为10255mS，高速端点为(2interval-1)*125uS，其中interval 取1到16 之间的值。

除高速高带宽中断端点外，一个微帧内仅允许一次中断事务传输，高速高带宽端点最多可以在一个微帧内进
行三次中断事务传输，传输高达3072 字节的数据。
[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-XF4mr8rr-1635519762329)(http://2.eewimg.cn/news/uploadfile/2015/0821/20150821024907854.png)]
4. 同步传输(Isochronous Transfers)
同步传输是一种实时的、不可靠的传输，不支持错误重发机制。只有高速和全速端点支持同步传输，高速同步端
点的最大包长度为1024，低速的为1023。

除高速高带宽同步端点外，一个微帧内仅允许一次同步事务传输，高速高带宽端点最多可以在一个微帧内进行三
次同步事务传输，传输高达3072 字节的数据。全速同步传输不得占用超过80%的帧时间，高速同步传输不得占用
超过90%的微帧时间。

同步端点的访问也和中断端点一样，有固定的时间间隔限制。

在主机控制器和USB HUB 之间还有另外一种传输——分离传输（Split Transaction），它仅在主机控制器和HUB 之间执行，通过分离传输，可以允许全速/低速设备连接到高速主机。分离传输对于USB 设备来说是透明的、不可见的。

八、 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。
8.1 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。

8.2 SRP(会话请求)协议

对于主机，要求能响应会话请求；对于设备，仅要求能够发起SRP协议。OTG设备，不仅要求发起SRP，而且还能响应SRP请求。
SRP分为数据线脉冲调制和电压脉冲调两种方式，B设备发起SRP必须满足以下两个条件：
1) B设备检测到A设备低于其有效的电压阈值，同时B设备低于有效的电压阈值。
2) B设备必须检测到D+和D-数据线至少在2ms的时间内低于有效阈值，即处于SE0状态。

数据线脉冲调制会话请求：B设备必须等到满足以上两个条件后，将数据线接入上拉电阻一定的时间，以备A设备过滤数据线上的瞬间电压。与此同时，B设备上拉D+以便于在全速模式下进行初始化操作。A设备在检测到D+变为高电平或D-变为低电平时产生SRP指示信号。

Vbus脉冲调制会话请求：B设备同样需等待满足上述两个初始化条件，然后B设备通过对电容充电以提高总线电压，待达到总线上的电压阈值，唤醒A设备。在充电过程中，一定要保证充电的电压峰值在一定的范围以避免烧坏A设备。
3. USB驱动架构

USB驱动架构如下图所示：

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-vz9ok0ed-1635519762329)(http://2.eewimg.cn/news/uploadfile/2015/0821/20150821024911989.png)]
3.1 USB主机端驱动
[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-oTevXc87-1635519762330)(http://2.eewimg.cn/news/uploadfile/2015/0821/20150821024912570.png)]
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。
[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-jBSMRmBs-1635519762330)(http://2.eewimg.cn/news/uploadfile/2015/0821/20150821024912800.png)]
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。
[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-1hAPoJRy-1635519762331)(http://2.eewimg.cn/news/uploadfile/2015/0821/20150821024920893.png)]

   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
[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-tValuejY-1635519762331)(http://2.eewimg.cn/news/uploadfile/2015/0821/20150821024920442.png)]

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-8GHZvppK-1635519762332)(http://2.eewimg.cn/news/uploadfile/2015/0821/20150821024920220.png)]

从上图可知，设备端驱动包含两部分：
1) 底层设备控制器驱动
2) 上层大容量存储类驱动

3.2.1 设备控制器驱动

USB设备控制器驱动主要实现Gadget API定义的函数和中断服务函数，可按功能划分为：API函数实现模块和中断处理模块。
API函数主要实现Gadget API定义的函数功能，如结构体usb_ep_ops和usb_gadget_ops中的函数、usb_gadget_register_driver函数。这些函数是供Gadget Driver调用。
中断处理模块主要处理设备控制器产生的各种中断，包括端点中断、复位、挂起等中断。

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-rUKKHYMx-1635519762332)(http://2.eewimg.cn/news/uploadfile/2015/0821/20150821024926681.png)]

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
[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-rAg7mVBY-1635519762333)(http://2.eewimg.cn/news/uploadfile/2015/0821/20150821024926525.png)]

OS_FS: 文件系统
USBD: USB核心
HCD: 主机控制器驱动
UDC: 设备端控制器驱动

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：
[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-0Xl86Ca4-1635519762333)(http://2.eewimg.cn/news/uploadfile/2015/0821/20150821024926215.png)]

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
[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-hLftzgwD-1635519762334)(http://2.eewimg.cn/news/uploadfile/2015/0821/20150821024926952.png)]
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：
[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-XjKaqkvM-1635519762334)(http://2.eewimg.cn/news/uploadfile/2015/0821/20150821024930539.png)]
USB初始化过程
4.1.1 USB Core的初始化

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
[cpp] view plaincopy

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)

   module_init(otg_init); 模块注册static init __init otg_init(void);platform_driver_register(); 平台注册static int __init otg_probe(struct platform_device *pdev); 探测处理函数reg = platform_get_resource(pdev, IORESOURCE_MEM, 0); 获取寄存器信息data = platform_get_resource(pdev,IORESOURCE_MEM, 1); 获取内存信息irq = platform_get_irq(pdev,0); 获取中断号usb_create_hcd(&otg_hc_driver, &pdev->dev, pdev->dev.bus_id);

分配和初始化HCD结构体。对设备数据空间进行分配，初始化计数器、总线、定时器、hcd结构体各成员值。

ret = usb_add_hcd(hcd,irq,SA_INTERRUPT);

完成HCD结构体的初始化和注册。申请buffer，注册总线、分配设备端内存空间，向中断向量表中申请中断，注册根集线器，对根集线器状态进行轮询。
4.1.3 注册集线器

   register_root_hub(hcd);

在USB系统驱动加载的过程中，创建了集线器的线程(khubd)，并且一直查询相应的线程事务。HCD驱动中，将集线器作为一个设备添加到主机控制器驱动中，然后进行集线器端口的初始化。在USB主机看来，根集线器本身也是USB主机的设备。USB主机驱动加载完成之后，即开始注册根集线器，并且作为一个设备加载到主机驱动之中。
USB主机和USB设备之间进行数据交互，USB设备本身并没有总线控制权，U盘被动地接收USB主机发送过来的信息并做出响应。USB主机控制器与根集线器构成了主机系统，然后外接其它的USB设备。
为了更好地探测到根集线器的状态变化，USB主机控制器驱动增加了状态轮询函数，以一定的时间间隔轮询根集线器状态是否发生变化。一旦根集线器状态发生变化，主机控制器就会产生相应的响应。
USB主机和USB设备之间的数据传输以URB(USB Request Block)的形式进行。
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)

不同的传输模式下，驱动为之申请不同的URB。其中，Linux内核只支持同步传输外的三种传输事件，ISO事务需要手工进行初始化工作。控制传输事务、批量传输事务、中断传输事务API如上所示。
三种事务传输模式下的URB初始化函数有很多相似之处，主要参数含义如下：
• urb: 事务传输中的urb
• dev: 事务传输的目的设备
• pipe: USB主机与USB设备之间数据传输的通道
• transfer_buffer: 发送数据所申请的内存缓冲区首地址
• length: 发送数据缓冲区的长度
• context: complete函数的上下文
• complete_fn: 调用完成函数
• usb_fill_control_urb()的setup_packet: 即将被发送的设备数据包
• usb_fill_int_urb()的interval: 中断传输中两个URB调度的时间间隔

4.2.3 提交URB

URB初始化完成之后，USBD开始通过usb_start_wait_urb()提交urb请求(它调用usb_submit_urb来真正的发送URB请求)，添加completition函数。接下来，从message.c传到主机控制器(hcd.c)，开始真正的usb_hcd_submit_urb()。此时，根据是否为根集线器，进入不同的工作队列。

   usb_start_wait_urb->usb_submit_urb->usb_hcd_submit_urb

a) root_hub传输

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。