Linux内核编程（二十一）USB应用及驱动开发

一、基础知识 

1. USB接口是什么？

        USB接口（Universal Serial Bus）是一种通用串行总线，广泛使用的接口标准，主要用于连接计算机与外围设备（如键盘、鼠标、打印机、存储设备等）之间的数据传输和电力供应。它旨在简化计算机与外部设备之间的连接方式，同时提供更高的传输速度和更好的兼容性。

         在1990年代初，计算机外围设备通常使用专用接口，如鼠标和键盘常见的PS/2接口，打印机使用的LPT接口（并口）等。这些接口虽然在当时各自具有一定的专用性和高效性，但也存在很多问题，随着技术的发展，通用性更强的接口逐渐成为主流，USB（Universal Serial Bus）便是这一发展潮流的代表。 

        1996年，由Intel、微软、康柏、DEC、IBM、NEC和北方电信公司等七家业界巨头组成的非盈利组织USB标准化组织（USB Implementers Forum，简称USB-IF）开始推动USB（Universal Serial Bus）接口的标准化工作。USB的诞生标志着计算机外围设备连接方式的革命性转变。

USB 1.0/1.1	最早的版本，传输速度为12 Mbps。
USB 2.0	提供更高的传输速度（最高480 Mbps），广泛应用于各种设备。
USB 3.0/3.1	提供更高的数据传输速率，最高可达5 Gbps及以上，支持更大的电流供电。
USB 4.0	最新的USB版本，支持更高的传输速率，最高可达40 Gbps，并且兼容Thunderbolt 3协议。

2. USB命名规则

        在2013年，USB 3.0和USB 3.1推出后，USB实现了更高的传输速度和更多功能，但随着技术的进步和市场的需求，USB-IF（USB Implementers Forum）为了更清晰地区分不同的版本和性能，进行了命名上的调整。

第一次命名改变：

                USB 3.0 改名为 USB 3.1 Gen 1

                USB 3.1 改名为 USB 3.1 Gen 2

第二次命名改变：

                USB 3.1 Gen1 = USB 3.2 Gen1
                USB 3.1 Gen2 = USB 3.2 Gen2
                USB 3.2 = USB 3.2 Gen2x2

        其本质上就是， USB 3.0 就是 USB 3.2 Gen1 ，USB 3.1是USB 3.2 Gen2，USB 3.2是USB 3.2 Gen2x2。

3. USB HOST和USB OTG

        USB Host（主设备）：是指具备控制和管理USB总线的设备。它负责控制所有USB连接的设备，发起数据传输，并管理设备间的通信。USB Host的核心功能是控制和调度USB数据的流向。典型的USB Host设备包括：计算机（台式机、笔记本电脑等）、打印机（具有USB接口的）等。在USB通信中，Host设备通过发送命令来请求从设备发送或接收数据。Host设备管理USB总线上的电源供给和数据传输。

        USB Slave（从设备）：是指依赖于主设备控制的设备。USB从设备由主设备管理，它没有独立的数据传输能力，所有的数据传输都必须经过主设备发起或协调。USB从设备通常是外设设备，例如：键盘、鼠标、U盘等。

        USB OTG（On-The-Go）：是一项功能，使得USB设备在需要时可以切换角色，既可以作为主设备，也可以作为从设备，从而直接与其他USB设备进行通信。USB OTG标准通常适用于移动设备，如智能手机、平板电脑等。它允许用户无需通过传统的主设备（如计算机）即可实现设备间的直接连接和数据交换。例如，一台支持OTG的手机可以在连接U盘时充当主设备，而在连接键盘时又可以充当从设备。

4. USB集线器（hub）

        USB Hub（集线器）是一种设备，允许多个USB设备通过一个USB端口与计算机进行连接。它实际上是一个多端口的USB接口扩展器，可以将计算机的一个USB端口扩展为多个端口，方便用户连接多个USB设备。 集线器是为了扩展更多的接口。但是并不是可以无休止的可以扩展，USB2.0协议中最多扩展七层。每一层所有设备相加不能超过127个(包括集线器) 。

        所有从机都必须经过集线器(hub)才能与主机连接，也就是设备不能直接和主机相连接。根集线器：与主机直接连接的集线器叫做根集线器，用户外接的叫做普通集线器。

下图的集线器就是普通集线器。

下图中集线器就是根集线器， 例如U盘的插入就是连接到根集线器上。

5. USB描述符

        描述符通常是一种数据结构，在 Linux里面就是一个结构体，使用结构体来描述当前的设备有哪些特征，用于描述某个对象或设备的属性和特征。在USB和其他通信协议中，描述符扮演着重要的角色，它们包含了设备的基本信息，如设备类别、供应商ID、产品ID等，这些信息对于主机来说至关重要，因为主机需要依靠这些信息来识别和管理连接的设备。例如下述内容。

/* USB Device Descriptor */
struct usb_device_descriptor {
    uint8_t  bLength;              // 描述符的长度（以字节为单位），对于设备描述符来说总是18字节
    uint8_t  bDescriptorType;      // 描述符类型，对于设备描述符来说总是0x01
    uint16_t bcdUSB;               // USB规范版本号，以二进制编码的十进制数表示
    uint8_t  bDeviceClass;         // 设备类别代码
    uint8_t  bDeviceSubClass;      // 设备子类代码
    uint8_t  bDeviceProtocol;      // 设备协议代码
    uint8_t  bMaxPacketSize0;      // 端点0的最大数据包大小（以字节为单位）
    uint16_t idVendor;             // 供应商ID
    uint16_t idProduct;            // 产品ID
    uint16_t bcdDevice;            // 设备版本号，以二进制编码的十进制数表示
    uint8_t  iManufacturer;        // 供应商字符串描述符的索引
    uint8_t  iProduct;             // 产品字符串描述符的索引
    uint8_t  iSerialNumber;        // 序列号字符串描述符的索引
    uint8_t  bNumConfigurations;   // 支持的配置数量
} __attribute__((packed));

        USB 描述符主要有：设备描述符，配置描述符，接口描述符，端点描述符。这些描述符共同构建了USB设备的特征和功能，通过读取这些描述符，系统可以配置驱动和参数，使得操作系统可以正确识别设备和通信。

（1）设备描述符：是USB设备中最重要的描述符之一，它包含了设备的基本信息，如设备类型、供应商ID、产品ID、设备版本等。这个描述符通常位于设备的EEPROM或闪存中，并在设备枚举过程中被主机读取。通过读取设备描述符，主机可以了解设备的基本属性，并决定如何与设备进行通信。设备描述符是设备连接到主机时第一个被请求和返回的信息。它提供了设备的本特征。

（2）配置描述符：描述设备支持的不同配置。

（3）接口描述符：描述了配置中的一个接口。

（4）端点描述符：描述接口中的一个端点。端点是数据在设备和主机之间传输的终点。一个具体的端点只能属于四种传输模式中的一种。

注意:
        一个USB设备有1个设备描述符。
        一个USB设备有1个或多个配置描述符。
        一个USB配置有1个或多个接口描述符。
        一个USB接口有0个或多个点描述符(不括端点0)。

6. 传输模式

 USB有四种传输模式：批量传输、中断传输、实时传输、控制传输。

（1）批量传输：适用于大数据量传输，且对实时性要求不高。主要用于传输不需要定时保证的数据，传输时没有时间限制，可以在空闲带宽下传输数据。常见应用：U盘、外部硬盘等。

（2）中断传输：用于传输少量、具有时间限制的数据，主机定期请求数据，传输间隔由设备和主机协商。实时性要求较高，但数据量较小，且数据传输频率是固定的。常见应用：鼠标、键盘、游戏手柄等输入设备。

（3）实时传输：适用于需要固定传输速率的场景，实时性要求高，但允许一定程度的丢包或误差。一般用于音频、视频等流式数据传输，确保数据能够以固定速率传输，尽管可能会丢失一些数据。常见应用：音视频设备、USB音响、摄像头等。

（4）控制传输（Control Transfer）：用于设备配置、查询和命令的传输，数据量较小，且是双向传输。常用于 USB 设备的初始化和命令交换，传输的内容通常较为简单。常见应用：设备配置、读取设备状态、设置设备功能等。控制传输分为三个阶段：①建立阶段。②数据阶段。③确认阶段。

7. USB数据格式

        US8通信数据格式由域、包、事务、传输组成。多个域组成包，多个包组成事务，多个事务组成传输。所以域是 USB 数据传输中最小的单位。事务是最基本的单位，对于我们开发人员来说关注事务和传输就可以了。

（1）域（Domain）

• 域是 USB 数据传输中的最小单位。每个域有特定的作用和格式，可以包含一个或多个字段。
• 七种类型的域：
  • 同步域（SYNC）：用于同步传输时钟，确保数据传输的时序性。
  • 地址域（ADDR）：标识 USB 设备的地址，通常用于指定数据的目标设备。
  • 端点域（ENDPT）：指定数据的目标端点，用于区分设备的不同数据流。
  • 帧号域（FRAME）：用于标识当前传输的帧号，在多帧传输中起到区分作用。
  • 标识域（ID）：用于标识不同的传输或者数据包。
  • 数据域（Data）：实际的数据内容区域，是传输的核心部分。
  • 校验域（CRC）：包含用于检验数据完整性的校验码，确保数据传输过程中没有错误。

（2）包（Packet）

        包是由多个域组成的数据单元。根据包的不同类型，域的结构会有所不同。USB 包有四种主要类型：

令牌包（Token Packet）：用于向设备发送请求或命令，包含地址和端点等信息。

数据包（Data Packet）：用于传输实际的数据，包含数据域和校验域。

握手包（Handshake Packet）：用于确认数据传输的结果，常见的有 ACK（确认）和 NAK（未确认）等。

特殊包（Special Packet）：用于特殊的控制或管理操作，例如 RESET 或 SOF（帧开始信号）。

        

        在 USB 中，PID 代表 Packet ID，即 数据包标识符。它用于标识 USB 数据包的类型，并且是在令牌包（Token Packet）和握手包（Handshake Packet）中必不可少的字段。常见的 PID 类型：

• 令牌包（Token Packet）：

  • OUT：用于主机向设备传输数据。
  • IN：用于设备向主机传输数据。
  • SETUP：用于设置设备的控制传输。

• 数据包（Data Packet）：

  • DATA0：表示数据包的第一个数据包，常用于控制传输。
  • DATA1：表示数据包的第二个数据包。

• 握手包（Handshake Packet）：

  • ACK：确认数据包传输成功。
  • NAK：表示数据包传输失败。
  • STALL：表示设备在处理数据时发生错误，无法完成请求。

• 特殊包（Special Packet）：

  • PRE：预留包（用于扩展等特殊用途）。

（3）事务（Transaction）

• 事务是 USB 数据传输的基本单位，是由令牌包、数据包和握手包组成的。事务是传输过程中最小的可操作单元。
• 事务的结构：
  • 令牌包（Token Packet）：发起事务，标识目标设备、端点等信息。
  • 数据包（Data Packet）：可选，用于传输实际的数据。
  • 握手包（Handshake Packet）：可选，用于确认数据传输是否成功。
• 对开发者而言，事务是关注的重点，因为它直接影响数据的传输成功与否。

（4）传输（Transfer）

• 传输是更高层次的概念，通常由多个事务组成，多个事务之间在时间上有一定的顺序。
• 一个完整的传输可能涉及多个包、事务和域，最终确保数据从主机到设备（或反向）成功传送。

举例：

8. USB枚举

        USB枚举（USB Enumeration）是指USB设备连接到计算机时，操作系统对该设备进行识别和配置的过程。这个过程包括一系列步骤，确保计算机能够正确识别设备、安装必要的驱动程序并为设备分配资源。

        在USB枚举过程中主要使用控制传输模式。通常用于设备和主机之间的命令和状态交换。它的工作流程分为三个阶段：建立阶段（Setup）、数据阶段（Data） 和 确认阶段（Status）。

（1）建立阶段。

        由USB主机发起，该阶段使用的是一个SETUP数据包，其结构包含了请求的命令、参数、设备的目标等信息。通过SETUP数据包，主机向设备发送命令，或者设备准备接收或发送数据。

        如果是输入请求（例如获取设备信息），则设备会准备好数据供主机接收。如果是输出请求（例如配置设备），则设备会准备好数据接收主机发出的命令。

（2）数据阶段。

        如果建立阶段是输入请求，则数据阶段由设备向主机传输数据。如果建立阶段是输出请求，则数据阶段由主机向设备传输数据。如果没有实际的数据传输需求（即请求的长度为零），此阶段依然会发送一个长度为0的数据包来表示数据传输完成。

（3）确认阶段。

        确认阶段刚好跟建立阶段相反。如果数据阶段是输入请求（即主机接收设备数据），那么确认阶段是设备向主机发送一个输出数据包。如果数据阶段是输出请求（即主机向设备发送数据），那么确认阶段是主机向设备发送一个输入数据包。

        确认阶段的主要目的是验证数据是否已经正确传输。如果传输成功，确认阶段不会包含任何数据；它只是作为一种状态确认，以告知数据传输是否正常完成。通常，成功的确认阶段只包含一个零长度数据包，这意味着数据传输完成且没有错误。

查看USB枚举过程中的数据内容，如下所示：

（1）传输。

（2） 传输和事务。

（3） 传输、事务、包和域。

 

 ★举例USB枚举过程：

二、应用编程 

1. libusb库安装

  libusb 是一个用 C 语言编写的开源库，主要用于简化 USB 设备的操作。通过 libusb，开发者可以方便地与 USB 设备进行通信，而不需要深入了解 USB 协议的底层细节。

  libusb 提供了跨平台的 API，可以在 Linux、macOS 和 Windows 等操作系统中使用，极大地提升了应用的可移植性。libusb 提供了一套简洁的 API，支持从 USB 1.0 到 USB 3.1 等不同版本的 USB 协议。无论是在传输数据、控制 USB 设备还是处理设备的其他操作时，API 接口保持一致，使用起来非常方便。

（1）下载。

        下载地址：libusb官网。如下图所示，下载最新的版本即可。

（2）编译安装（X86下）。

        我们下载所得到的就是libusb库的源码包，我们需要对源码包进行编译操作。在不同平台上使用的编译器不同，例如X86使用gcc，ARM使用交叉编译器。

<1> 安装依赖包。

sudo apt install -y libudev-dev

<2> 指定编译环境，这里为x86_64-linux 架构。

./configure --build=x86_64-linux

<3> 编译和安装。

make
sudo make install

<4> 验证：进入/usr/local/lib查看。

（3）编译安装（ARM下）。 

 <1> 安装依赖包。

sudo apt install -y libudev-dev

<2> 指定编译环境，这里为ARM架构。（先在源码包路径下新建install文件夹，用于存放编译后的libusb库）

//--build：编译平台
//--host：目标平台
//--prefix：安装路径
//CC: 编译器
//CXX：g++编译器
//--disable-udev：用于禁用对 udev 的支持
./configure --build=x86_64-linux --host=arm-linux --prefix=/home/qjl/libusb/libusb-1.0.27/install CC=arm-linux-gnueabihf-gcc CXX=arm-linux-gnueabihf-g++ --disable-udev

<3> 编译和安装。

make
sudo make install

<4> 使用验证。

        将源码目录下的example中的一个测试源码（例如listdevs.c）拷贝到install文件夹中。然后使用交叉编译器编译这个源码生成可执行文件。如下所示。将生产的可执行文件使用命令file来查看格式是否正确。将可执行文件传至开发板运行。

//-I ./include/libusb-1.0 :头文件路径
//-L ./lib ：静态库路径
//-lusb-1.0 -lpthread -static 连接usb静态库 和线程thread库

arm-linux-gnueabihf-gcc listdevs.c -o listdevs -I ./include/libusb-1.0  -L ./lib  -lusb-1.0 -lpthread -static