1. USB協議

1.1 USB主機系統

       在USB主機系統中，通過根集線器與外部USB從機裝置相連的處理晶片，稱為USB主機控制器。USB主機控制器包含硬體、軟體和韌體一部分。

1.2 USB裝置系統

        USB裝置按功能分為兩部分：集線器(Hub)和功能部件。從下圖可知，主機通過根集線器連線到各種外圍裝置(集線器和功能部件)。

1.3 主機和裝置之間通訊模型   

                                           主機與裝置之間的通訊模型

       上圖展示了USB主機和USB裝置之間的資料傳輸過程。在裝置端，USB裝置將非USB格式的資料進行打包處理，轉換成USB格式的資料包，然後傳遞到鏈路層，經過硬體處理、傳遞到物理層，由物理層通過PHY以資料流的形式傳輸到主機。 

       USB主機在USB裝置和USB主機之間發起的傳輸過程，穩為事務。每次事務以2到3個數據包的形式進行USB匯流排傳輸。每個資料包包含2到3個步驟：       1) USB主機控制器向USB裝置發出命令       2) USB控制器和USB裝置之間傳遞讀寫請求，其方向取決於第一部分的命令是讀還是寫       3) 握手訊號。            USB主機控制器向USB裝置傳送事務型別請求，通過分組識別符號來進行識別。

 1.4 USB分組標識

        主機和裝置之間進行操作，通過分組標識(PID)來進行傳輸。資料包傳輸格式一般由：PID、資料/控制資訊、CRC校驗碼組成。        常見的PID主要包括令牌、資料、握手等型別組成。PID碼以特定的方式組成，如下表所示：

      PID分組碼是資料傳輸流程中的重要元素。無論硬體還是軟體，都要對PID分組碼進行分析，從而做出正確響應。USB主機和裝置嚴格按照PID分組碼資訊進行資訊互動。

1.5 資料包傳輸模式

       當USB裝置連線到集線器，集線器狀態將發生相應的變化，並將狀態變化資訊傳遞給USB主機。USB主機通過根集線器向USB裝置傳送命令，獲取USB裝置的各種資訊，包含USB裝置傳輸型別、ID號、Product、USB速度等資訊。       USB主機和USB裝置之間的資料傳輸共有四種類型：控制傳輸、批量傳輸、中斷傳輸和同頻傳輸。與之對應，USB主機和USB裝置之間有四種事務：控制事務、批量事務、中斷事務和同步事務。

1.5.1 批量(Bulk)傳輸

    作用：主要用於非實時性傳輸，資料包較大而延時要求較低。    特點：資料傳輸準備即可，採用批量傳輸模式的USB從機裝置，如U盤    資料傳輸分三個階段：    a) 令牌階段：主機發送請求，USB裝置依據請求PID來判斷IN或OUT傳輸    b) 資料傳輸階段：依據令牌階段的IN或OUT傳輸，來決定資料傳輸為DATA0或DATA1來進行資料傳輸    c) 握手階段：接收資訊的一方傳送ACK訊號以表示接收成功；若為NAK，表示傳送失敗；STALL表示不可預知的錯誤

 1.5.2 控制(Control)傳輸

       作用：USB傳輸過程必須支援的傳輸模式。USB主機為了獲取裝置描述符、ID、Product等資訊，向USB裝置傳送相應的PID命令。       特點：唯一可以進行IN/OUT傳輸的傳輸模式。資料寬度：控制傳輸方式可以以8、16、32或64位元組的資料進行傳輸，這取決於裝置的傳輸速度。       USB主機和裝置之間必須支援控制傳輸，通過端點0進行資料傳輸。控制傳輸分為令牌、資料傳輸和握手階段。

 1.5.3 中斷傳輸事務

作用：按照一定時刻輪詢裝置是否有中斷傳輸請求特點：查詢頻率取決於端點的模式結構，從1到255ms不等中斷傳輸主要用於實時性要求非常高的從機裝置，如鍵盤操縱桿和Mouse等傳輸過程也分為令牌階段、資料傳輸和握手階段

1.6 USB描述符

   USB協議中共定義了以下四種描述符：   1) 裝置描述符   2) 配置描述符   3) 介面描述符   4) 端點描述符

   其關係如下圖所示：

1.6.1 裝置描述符

      每個USB裝置都有一個唯一的裝置描述符，如下表所示：

1.6.2 配置描述符

   每個USB裝置都有預設的配置描述符，支援至少一個介面，每個配置描述符如下表：

1.6.3 介面描述符

   裝置應至少支援一個介面，如：塊傳輸資料介面，部分裝置可能支援其它的介面。複合裝置可以支援額外介面，以支援音訊和視訊功能。標準中並沒有定義此類介面。介面可能有多個可選設定，主機將會檢查每個可選的設定。

1.6.4 端點描述符

   每個裝置至少支援控制端點0。USB裝置應該支援三類端點：控制端點、輸入端點和輸出端點。

 2. OTG協議

        OTG裝置採用Mini-AB插座，相對於傳統的USB資料線，Mini-AB介面多了一根資料線ID，ID線是否接入將Mini-AB介面分為Mini-A和Mini-B介面兩種型別。在OTG裝置之間資料連線的過程中，通過OTG資料線Mini-A和Mini-B介面來確定OTG裝置的主從：接入Mini-A介面的裝置預設為A裝置(主機裝置)；接入Mini-B介面的裝置，預設為B裝置(從裝置)。

        A裝置和B裝置無需交換電纜介面，即可通過主機交換協議(HNP)實現A、B裝置之間的角色互換。同時，為了節省電源，OTG允許匯流排空閒時A裝置判斷電源。此時，若B裝置希望使用匯流排，可以通過會話請求協議(SRP)請求A裝置提供電源。

2.1 HNP(主機交換)協議

    當Mini-A介面接入A裝置並確定A裝置為主機時；若B裝置希望成為主機，則A裝置向B裝置傳送SetFeature命令，允許B裝置進行主機交換。B裝置檢測到匯流排掛起5ms後，即掛起D+並啟動HNP，使匯流排處於SE0狀態。此時A裝置檢測到匯流排處於SE0狀態，即認為B裝置發起主機交換，A裝置進行響應。待B裝置發現D+線為高電平而D-線為低電平(J狀態)，表示A裝置識別了B裝置的HNP請求。B裝置開始匯流排復位並具有匯流排控制權，主機交換協議完成。

2.2 SRP(會話請求)協議

    對於主機，要求能響應會話請求；對於裝置，僅要求能夠發起SRP協議。OTG裝置，不僅要求發起SRP，而且還能響應SRP請求。    SRP分為資料線脈衝調製和電壓脈衝調兩種方式，B裝置發起SRP必須滿足以下兩個條件：    1) B裝置檢測到A裝置低於其有效的電壓閾值，同時B裝置低於有效的電壓閾值。    2) B裝置必須檢測到D+和D-資料線至少在2ms的時間內低於有效閾值，即處於SE0狀態。

    資料線脈衝調製會話請求：B裝置必須等到滿足以上兩個條件後，將資料線接入上拉電阻一定的時間，以備A裝置過濾資料線上的瞬間電壓。與此同時，B裝置上拉D+以便於在全速模式下進行初始化操作。A裝置在檢測到D+變為高電平或D-變為低電平時產生SRP指示訊號。        Vbus脈衝調製會話請求：B裝置同樣需等待滿足上述兩個初始化條件，然後B裝置通過對電容充電以提高匯流排電壓，待達到總線上的電壓閾值，喚醒A裝置。在充電過程中，一定要保證充電的電壓峰值在一定的範圍以避免燒壞A裝置。

3. USB驅動架構 

      USB驅動架構如下圖所示：

  3.1 USB主機端驅動

    USB核心(USBD)是整個USB驅動的核心部分，從上圖可知，一方面USBD對接收到USB主機控制器的資料進行處理，並傳遞給上層的裝置端驅動軟體；同時也接收來自上層的非USB格式資料流，進行相應的資料處理後傳遞給USB主機控制器驅動。

    USB資料傳輸都以URB(USB Request Block)請求、URB生成、URB遞交、URB釋放為主線。從上圖可知，當載入控制器驅動之後，註冊根據集線器，hub和hcd驅動成為一個整體。接著，主機通過控制傳輸獲取裝置的控制描述符等資訊，接著詳述整個控制傳輸的流程。usb_submit_urb依據是否連線到根集線器來決定呼叫urb_enqueue或rh_urb_enqueue函式。    USB從裝置通過集線器或根集線器連線到USB主機上。比如：主機通過根集線器與外界進行資料互動，根集線器通過探測資料線狀態的變化來通知USB主機是否有USB外圍裝置接入。

    在主機端控制器驅動載入的過程中，註冊了根集線器，然後匹配了相應的hub驅動程式，同時完成了對Hub的輪詢函式和狀態處理函式的設定。這樣，一旦hub集線器的狀態發生變化，就會產生相應的中斷，主機端控制器就會執行相應的中斷處理函式，下圖為hub驅動程式的流程圖。

       USB Core中的usb_init()函式中完成了對hub執行緒(khubd，在usb_hub_init函式中真正地建立)的建立，然後完成相應裝置的探測。主機端控制器驅動進行探測時，將hub驅動和主機端控制器驅動結合在一起，相互之間完成呼叫。 相對於大容量儲存裝置與主機之間通過控制/批量傳輸，集線器與主機之間通過中斷/控制方式完成資料互動。

3.2 USB裝置端驅動

    從上圖可知，裝置端驅動包含兩部分：    1) 底層裝置控制器驅動    2) 上層大容量儲存類驅動

3.2.1 裝置控制器驅動

       USB裝置控制器驅動主要實現Gadget API定義的函式和中斷服務函式，可按功能劃分為：API函式實現模組和中斷處理模組。       API函式主要實現Gadget API定義的函式功能，如結構體usb_ep_ops和usb_gadget_ops中的函式、usb_gadget_register_driver函式。這些函式是供Gadget Driver呼叫。       中斷處理模組主要處理裝置控制器產生的各種中斷，包括端點中斷、復位、掛起等中斷。

上圖為裝置端控制器基本架構，主要完成了Gadget驅動和控制器驅動繫結、usb_gadget_register_driver註冊。

3.3 OTG驅動

OS_FS: 檔案系統USBD: USB核心HCD: 主機控制器驅動UDC: 裝置端控制器驅動

       OTG裝置支援HNP和SRP協議。OTG裝置通過USB OTG電纜連線到一起，其中接Mini-A介面的裝置為A裝置，預設為主機端，Mini-B介面的裝置預設為B裝置。當A、B裝置完成資料互動之後，A、B裝置之間的USB OTG電纜進入掛起狀態，如下圖所示：

        當B裝置寫入b_bus_req，向A裝置發起HNP請求。待A裝置響應之後，A裝置傳送a_set_b_hnp_en，B裝置響應之後即進入主機狀態，同時傳送請求使用A裝置set_device，這樣A、B裝置完成主從交換。

4. USB 傳輸流程

 4.1 USB初始化過程

       USB驅動作為一個系統，集成了眾多的驅動模組，註冊過程非常複雜。從USB系統的角度來說，USB主機驅動主要包含：

       1) USB核驅動

       2) 主機控制器驅動

       3) 集線器驅動

       驅動的載入執行流程如下圖所示：

                               USB初始化過程4.1.1 USB Core的初始化

   USB驅動從USB子系統的初始化開始，USB子系統的初始化在檔案driver/usb/core/usb.c

subsys_initcall(usb_init);module_exit(usb_exit);

        subsys_initcall()是一個巨集，可以理解為module_init()。由於此部分程式碼非常重要，開發者把它看作一個子系統，而不僅僅是一個模組。USB Core這個模組代表的不是某一個裝置，而是所有USB裝置賴以生存的模組。在Linux中，像這樣一個類別的裝置驅動被歸結為一個子系統。subsys_initcall(usb_init)告訴我們，usb_init才是真正的初始化函式，而usb_exit將是整個USB子系統結束時的清理函式。

4.1.2 主機控制器的初始化及驅動執行(以EHCI為例)

   module_init(otg_init); 模組註冊   static init __init otg_init(void);   platform_driver_register(); 平臺註冊   static int __init otg_probe(struct platform_device *pdev); 探測處理函式   reg = platform_get_resource(pdev, IORESOURCE_MEM, 0); 獲取暫存器資訊   data = platform_get_resource(pdev,IORESOURCE_MEM, 1); 獲取記憶體資訊   irq = platform_get_irq(pdev,0); 獲取中斷號   usb_create_hcd(&otg_hc_driver, &pdev->dev, pdev->dev.bus_id);   分配和初始化HCD結構體。對裝置資料空間進行分配，初始化計數器、匯流排、定時器、hcd結構體各成員值。   ret = usb_add_hcd(hcd,irq,SA_INTERRUPT);   完成HCD結構體的初始化和註冊。申請buffer，註冊匯流排、分配裝置端記憶體空間，向中斷向量表中申請中斷，註冊根集線器，對根集線器狀態進行輪詢。

4.1.3 註冊集線器

       register_root_hub(hcd);      在USB系統驅動載入的過程中，建立了集線器的執行緒(khubd)，並且一直查詢相應的執行緒事務。HCD驅動中，將集線器作為一個裝置新增到主機控制器驅動中，然後進行集線器埠的初始化。在USB主機看來，根集線器本身也是USB主機的裝置。USB主機驅動載入完成之後，即開始註冊根集線器，並且作為一個裝置載入到主機驅動之中。       USB主機和USB裝置之間進行資料互動，USB裝置本身並沒有匯流排控制權，U盤被動地接收USB主機發送過來的資訊並做出響應。USB主機控制器與根集線器構成了主機系統，然後外接其它的USB裝置。       為了更好地探測到根集線器的狀態變化，USB主機控制器驅動增加了狀態輪詢函式，以一定的時間間隔輪詢根集線器狀態是否發生變化。一旦根集線器狀態發生變化，主機控制器就會產生相應的響應。       USB主機和USB裝置之間的資料傳輸以URB(USB Request Block)的形式進行。

 4.2 URB傳輸過程

    USB初始化過程中，無論是主機控制器驅動還是根集線器驅動，都是通過URB傳輸獲取裝置資訊。

4.2.1 申請URB

    struct urb *usb_alloc_urb(int iso_packets, gfp_t mem_flags)    為urb分配記憶體並執行初始化。

4.2.2 初始化URB

    初始化具體的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)

       不同的傳輸模式下，驅動為之申請不同的URB。其中，Linux核心只支援同步傳輸外的三種傳輸事件，ISO事務需要手工進行初始化工作。控制傳輸事務、批量傳輸事務、中斷傳輸事務API如上所示。      三種事務傳輸模式下的URB初始化函式有很多相似之處，主要引數含義如下：      • urb: 事務傳輸中的urb      • dev: 事務傳輸的目的裝置      • pipe: USB主機與USB裝置之間資料傳輸的通道      • transfer_buffer: 傳送資料所申請的記憶體緩衝區首地址      • length: 傳送資料緩衝區的長度      • context: complete函式的上下文      • complete_fn: 呼叫完成函式      • usb_fill_control_urb()的setup_packet: 即將被髮送的裝置資料包      • usb_fill_int_urb()的interval: 中斷傳輸中兩個URB排程的時間間隔

4.2.3 提交URB

       URB初始化完成之後，USBD開始通過usb_start_wait_urb()提交urb請求(它呼叫usb_submit_urb來真正的傳送URB請求)，新增completition函式。      接下來，從message.c傳到主機控制器(hcd.c)，開始真正的usb_hcd_submit_urb()。此時，根據是否為根集線器，進入不同的工作佇列。   usb_start_wait_urb->   usb_submit_urb->   usb_hcd_submit_urb

   a) root_hub傳輸

   若為root hub，將呼叫rh_urb_enqueue()，共有兩種傳輸事務(控制傳輸和中斷傳輸)

static int rh_urb_enqueue (struct usb_hcd *hcd, struct urb *urb){ if (usb_endpoint_xfer_int(&urb->ep->desc)) // 中斷傳輸  return rh_queue_status (hcd, urb); if (usb_endpoint_xfer_control(&urb->ep->desc)) // 控制傳輸  return rh_call_control (hcd, urb); return -EINVAL;}

   b) 非root_hub傳輸   對於非常root_hub傳輸，它呼叫:   status = hcd->driver->urb_enqueue(hcd, urb, mem_flags);   c) 批量傳輸   root_hub本身沒有批量傳輸流程，按照控制傳輸流程，控制傳輸最終要通過switch語句跳轉到Bulk-Only傳輸流程中。