linux驱动移植-USB驱动

一、USB总线介绍

1.1 简介

我们之前接触过的通信协议有串口、I2C、SPI以及CAN总线，这里我们又去学习USB总线，那USB和之前我们介绍过那些总线有什么区别呢。

通用串行总线（英语：Universal Serial Bus，缩写：USB）是连接计算机系统与外部设备的一种串口总线标准，也是一种输入输出接口的技术规范，被广泛地应用于个人电脑和移动设备等信息通讯产品，并扩展至摄影器材、数字电视（机顶盒）、游戏机等其它相关领域。

在USB总线出现之前，计算机与键盘、鼠标、扫描仪、打印机等的设备连接都使用专用的接口连接，不同的设备的接口不能互用，扩展性很差，每次插拔设备都要关闭计算机，不支持热插拔，且通信速率很低。

为了解决上述问题，USB总线诞生了。USB总线就好像一条管道，管道里流过的东西只要符合USB协议，至于具体流的是什么东西，USB总线并不关心。对应具体的设备上，只要是支持USB协议的设备，都可以连接计算机，如USB键盘、USB鼠标、USB摄像头、USB音箱等。USB的出现简化了计算机与外围设备的连接，增强了扩展性，支持热插拔，且通信速度很快。

1.2 USB协议版本

从USB协议诞生至今，出现了多个USB协议版本，如USB1.0、USB1.1、USB2.0、USB3.0、USB3.1、USB3.2。最新的是USB4.0协议，可直连CPU的PCIe总线，最大速度可达40Gbps，使用Type-C接口，兼容DP视频协议、PD快充协议等，最高支持100W供电。

USB协议版本	速率称号	最大速率	电源	类型	推出时间
USB1.0	低速(Low-Speed)	1.5Mbps	5V/500mA	半双工	1996年1月
USB1.1	全速(Full-Speed)	12Mbps	5V/500mA	半双工	1998年9月
USB2.0	高速(High-Speed)	480Mbps	5V/500mA	半双工	2000年4月
USB3.0(USB3.2 Gen1)	超高速(SuperSpeed USB)	5Gbps	5V/900mA	全双工	2008年月11月
USB3.1(USB3.2 Gen2)	SuperSpeed USB 10Gbps	10Gbps	20V/5A	全双工	2013年月7月
USB3.2(USB3.2 Gen2×2)	SuperSpeed USB 20Gps	20Gbps	20V/5A	dual-lane	2017年月9月
USB4.0(Gen3×2)	----	40Gbps	100瓦	single-lane或dual-lane，兼容Thunderbolt3	2019年月8月

注：USB3.2推出时，USB-IF公布了新的命名规范，将USB3.0改名为USB3.2 Gen1，USB3.1改名为USB3.2 Gen2，而将能够使用两个USB Type-C Rx/Tx针脚的USB3.2改名为USB3.2 Gen2×2。

下图是各个版本USB协议使用的标志及接口，USB3.2以后，只使用Type-C接口，包括图中未画出的USB4.0和Thunderbolt3。

伴随着USB的版本迭代，USB又产生了多种连接器类型规范，比如Type A、Type B、Type-C。

下图是USB3.2协议使用的标志，此标志是USB-IF网站上最新的。

下图是USB4.0协议使用的标志，USB4.0使用Gen3 lane，single-lane可达到20Gps，dual-lane为40Gps。USB4™ 20Gbps使用single-lane，USB4™ 40Gbps使用dual-lane。

二、USB总线特点

2.1 主从模式

USB是主从模式的总线，主机称为Host，丛机称为Device(设备)。从机与从机之间、主机与主机之间(不包括USB4.0)，不能互联。每次通信都是由主机发起，从机不能主动发起通信，只能被动的应答主机的请求。

USB3.0及以后的USB协议，主机也可以和集线器(Hub)通信。为了增加灵活性，又出现了USB OTG(On The Go)，USB OTG支持主从切换，同一个设备，在不同场合下，可以在主机和从机之间切换。

USB OTG线中增加了一根USB ID线，当USB ID线上拉时，处于从机模式，当USB ID线接地时，处于主机模式。

2.2 总线结构

在有些场景下，我们期望将一个USB接口扩展为多个USB接口，这时我们就会使用到一个装置，也就是USB Hub，如下图所示：

因此，USB总线可能呈现出树状的拓扑接口吗，USB标准上说USB总线拓扑是一种分层星型结构，如下图所示：

从树结构我们可以看到：

树的根节点是USB Host控制器，连接在USB Host控制器上的是USB根集线器(Root Hub)；
USB集线器(Hub)可以将一个USB接口扩展成多个USB接口，扩展出的USB接口又可以通过USB集线器(Hub)扩展，每个USB接口都可以接USB设备；
集线器只能扩展出更多的USB接口，而不能扩展出更多的带宽，所有USB设备共享USB Host控制器的带宽，当有多个USB设备需要较大带宽时，可以考虑将他们接到不同USB Host控制器上的根集线器上，以避免带宽不足；
集线器级联最多5层，因此最大为7层星型结构；这个最大7层星形结构，代表的是一条USB总线，一个USB分层星型结构有且仅有一个USB主机控制器，但并不是说一台计算机就只有一个USB总线，比如我的计算机内部就是3个USB主控制器+Root Hub，从Windows设备管理器可以看到：

2.3 电气特性

下图是USB3.2线缆的示意图，同时兼容USB2.0：

USB使用差分信号传输数据，图中的D+和D-是一对差分线，SSTX+和SSTX-是一对差分线，SSRX+和SSRX-是一对差分线:

USB2.0只有一对差分线，即下图中的D+、D-，因此USB2.0是半双工的，不能同时收发数据;
USB3.2拥有两对差分线，即SSTX+和SSTX及SSRX+和SSRX，因此USB3.2是全双工的，可同时收发数据；

USB3.2和USB2.0使用不同的差分线传输数据，两者互不干扰，可同时工作。USB3.2线缆中保留了USB2.0的数据传输通道，实现了对USB2.0的兼容。USB主机可通过$V_{BUS}$线向设备供电，最大可输出20V/5A，GND是地线。

2.4 热插拔

当一个USB设备插入PC机，PC机怎么知道有设备插入?

如下图所示，USB2.0接口只有4条线：$V_{BUS}$（5V），GND，D-，D+。

USB低速设备硬件接线图

USB全速（高速）设备硬件接线图

注意：上图中VCC同$V_{BUS}$。

PC机的USB插孔的D-和D+数据线均连接15K欧姆的下拉电阻。而USB设备端的D-或D+数据线连接1.5K欧姆的上拉电阻。当设备插入PC机的时候，会将PC机的D-或D+端的电压拉高，当PC机在D-或D+端检测到高电平时，就知道有设备插入了。

如果是PC机D-端被拉高，接入的则是USB低速设备；如果是PC机D+端被拉高，接入的则是USB全速或高速设备，具体是全速设备还是高速设备，会由PC机和USB设备发包握手确定。

三、USB传输基础

3.1 传输类型

USB架构包含四种基本类型的数据传输：

控制传输：控制传输用于配置设备、获取设备信息、发送命令到设备、获取设备的状态。每个USB设备都有端点0的控制端点，当USB设备插入到USB主机拓扑网络中时，USB主机就通过端点0与USB设备通信，对USB设备进行配置，便于后续的数据传输。USB协议保证控制传输有足够的带宽。控制传输可靠，时间有保证，但传输的数据量不大。如USB设备的枚举过程就采用的是控制传输；
中断传输：当USB主机请求USB设备传输数据时，中断传输以一个固定的速率传送少量的数据。中断端点的数据传输方式为中断传输，数据传输可靠，实时性高，这里的中断并不是USB设备产生中断，而是USB主机每隔一个固定的时间主动查询USB设备是否有数据要传输，以轮询的方式提高实时性。如USB鼠标采用的是中断传输；
批量传输：批量传输用于传输大量数据。USB协议不保证这些数据传输可以在特定的时间内完成，但保证数据的准确性。如果总线上的带宽不足以发送整个批量包，则将数据拆分为多个包传输。批量传输数据可靠，但实时性较低。如USB硬盘、打印机等设备就采用的是批量传输方式；
等待传输：等时传输也可以传输大量数据，但数据的可靠性无法保证。采用等时传输的USB设备更加注重保持一个恒定的数据传输速度，对数据的可靠性要求不高。如USB摄像头就使用的是等时传输方式；

下表是这四类传输在不同速度模式下支持的最大包长度：

速度模式	低速	全速	高速
控制传输	8	8/16/32/64	64
同步传输	不支持	1023	1024
中断传输	0~8	0~64	0~1024
批量传输	不支持	8/16/32/64	512

3.2 传输要素

USB2.0主机控制器通过把时间在低速、全速模式下分成1毫秒宽的帧（frame），在高速模式下分成125微妙宽的微帧（microfranme），以此来管理传输。主机控制器将每个帧或微帧的一部分分配给各个传输。每个帧（或微帧）以带有时序参考的帧（Start-of-Frame，SOF）开始。超高速总线不使用SOF，但主机控制器仍可以在125微妙的总线时间内安排超高速传输。

USB传输可以安排在1个或多个帧或微帧中，每个传输包含多个事务，每个事务又进一步含有多个信息包（packets）。信息包必须在一个帧或微帧中传输完毕，不能跨帧或微帧。信息包分为4类，令牌类信息包确认事务类型，数据类信息包携带数据和状态代码，握手类信息包携带状态代码，最后一种是特殊类信息包。
USB传输由一个或多个事务（transaction）组成，这些事务可将数据载入端点或从端点取出。USB2.0事务开始于主机在总线上发送的令牌信息包（token packet）。令牌信息包含有目标端点号和方向。IN令牌信息包表示向端点请求数据信息包。OUT令牌信息包则是主机派发数据信息包的先行信息。除了数据，每个数据包还含有错误检查位和一个带有数据顺序值的信息包ID（PID）。许多事务还拥有握手信息包（handshake packet），数据的接收端用它来报告事务成功或失败。对于超高速传输事务，信息包类型和协议有所不同，但却含有相同的地址、错误检查和与数据相配合的数据顺序值。

信息包类型	PID名字	取值(二进制)	传输类型	来源	说明
令牌	OUT	0001	全部	主机	IN事务中需要的设备和端点地址
令牌	IN	1001	全部	主机	IN事务中需要的设备和端点地址
令牌	SOF	0101	帧开始	主机	SOF标识符和帧号
令牌	SETUP	1101	控制	主机	用于Setup事务的设备和端点地址
数据	DATA0	0011	全部	主机、设备	数据交替或数据PID序列
数据	DATA1	1011	全部	主机、设备	数据交替或数据PID序列
数据	DATA2	0111	等时	主机、设备	数据PID序列
数据	MDATA	1111	等时、分割事务	主机、设备	数据PID序列
握手	ACK	0010	控制、批量、中断	主机、设备	接收端接收到正确的数据信息包
握手	NAK	1010	控制、批量、中断	设备	接收端不能接收数据，或者发送端无法发送数据或无数据要发送
握手	STALL	1110	控制、批量、中断	设备	控制请求不被支持或端点被停止
握手	NYET	0110	控制写、批量、OUT、分割事务	设备	正确的接收了数据信息包，但还没准备好接收下一个，或集线器还没有将数据信息包分割完成
特殊	PRE	1100	控制、中断	主机	主机发出的先行信号
特殊	ERR	1100	全部	集线器	由集线器返回的错误
特殊	SPLIT	1000	全部	主机	分割事务
特殊	PING	0100	控制写、批量、OUT	主机	PING测试
特殊	EXT	0000	无	主机	扩展，未使用