USB接口驱动从原理到应用

1.USB概览

当涉及到USB通信时，可以从最物理层到最高应用层对其内容进行详细说明：

物理层（Physical Layer）：

• USB连接线：USB使用四根线，其中两根用于数据传输（D+和D-），一根用于电源（VCC），最后一根用于接地（GND）。
• 差分信号：USB采用差分信号传输，以提高抗干扰能力和传输质量。
• 电气特性：USB定义了数据线和电源线的电压电流规范，以及阻抗匹配和线缆长度等要求。
• 接口类型：USB有多种连接接口类型，如USB Type-A、USB Type-B、Micro USB、USB Type-C等，用于适配不同设备和外设。

数据链路层（Data Link Layer）：

• 帧和令牌（Token）：USB数据传输以帧为单位进行，每个帧由同步字段、PID（包标识符），地址、端点、CRC等组成。
• 令牌传输：主机通过发送令牌包来控制设备的状态和通信流程，令牌类型有同步令牌、分离令牌和握手令牌。
• 数据传输：数据阶段用于实际的数据传输，包括数据包的发送和接收。
• 握手：数据传输完成后，设备和主机之间进行握手确认，确认接收到的数据的完整性。
• 错误检测和重传：USB使用CRC（循环冗余校验）来检测数据传输中的位错误，并根据需要进行重传机制。

传输层（Transaction Layer）：

• 事务（Transaction）：USB使用事务来管理数据传输，一个事务通常包含多个帧，以满足数据传输的需求。
• 管道（Pipe）：管道是设备和主机之间进行数据传输的通道，可以分为控制传输管道、批量传输管道和中断传输管道。

主机控制器层（Host Controller Layer）：

• 主机控制器：主机控制器是主机系统中用于管理USB通信的硬件或软件模块，负责控制和管理USB设备的连接和通信。
• 主机控制器接口（HCI）：主机控制器和主机之间使用特定的传输协议进行通信，如USB Host Controller Interface (HCI)。

应用层（Application Layer）：

• USB类别和协议：USB设备使用特定的类别和协议规范来定义其功能和应用特性，如USB存储类、音频类、打印机类等。
• 驱动程序：为了与USB设备进行通信，主机需要相应的驱动程序来识别设备、控制和管理其功能。
• 应用程序接口（API）：操作系统和开发平台提供USB的应用程序接口，用于开发者与USB设备进行交互和控制。

2.USB应用层 

当涉及到USB的应用层时，可以进一步展开细说其内容。USB应用层定义了不同的类别和协议，用于实现特定的功能和应用。以下是一些常见的USB应用层类别和协议：

1. USB存储类（USB Mass Storage Class）：USB存储类协议用于连接和传输存储设备。它允许主机系统将USB闪存驱动器、外部硬盘、U盘等存储设备视为逻辑存储单元，并进行数据的读取和写入。

2. USB音频类（USB Audio Class）：USB音频类协议用于连接和传输音频设备。它定义了音频流的格式和通信方式，允许主机系统实现音频输入和输出功能。常见的应用包括USB话筒、耳机、音频接口等。

3. USB打印机类（USB Printer Class）：USB打印机类协议用于连接和控制打印机设备。它定义了打印机命令和数据格式，允许主机系统发送打印任务和接收打印机状态、设置打印参数等。

4. USB图像类（USB Image Class）：USB图像类协议用于连接和传输图像设备，如摄像头(v4l2的使用 详见linux中的USB摄像头驱动（应用层）（基于V4L2) 这篇文章的解释) 、扫描仪等。它定义了图像数据的格式和传输方式，允许主机系统进行图像的捕捉、传输和控制。

5. USB人机接口设备类（USB Human Interface Device）：USB HID协议用于连接和传输人机接口设备，如键盘、鼠标、游戏控制器等。它定义了输入数据的报告格式和通信方式，允许主机系统获取用户的输入数据并进行相应的操作。

6. CDC（Communications Device Class）：CDC用于支持通信类设备，例如调制解调器、串行通信设备和网络适配器等。它提供了一个虚拟串口的功能，使得操作系统可以通过标准的串口接口与设备进行通信

3.USB HID简介 

USB HID（Human Interface Device）是一种用于人机交互设备的USB协议，它定义了一组报告格式和通信规范，用于传输输入设备（如键盘、鼠标、游戏控制器等）的数据。

USB HID的工作原理如下：

1. 设备识别：当USB HID设备插入到主机系统上时，主机会检测到设备的存在并进行识别。
2. 报告描述：USB HID设备包含有关报告格式的描述信息，通常使用HID描述符定义报告的结构和属性。该描述符定义了报告的大小、字段和数据类型等信息。
3. 报告传输：HID设备将输入数据以报告的形式发送给主机系统。每个报告由一个或多个数据包组成。
4. 中断传输：HID设备通常使用中断传输方式与主机进行通信。它使用中断端点（endpoint）来定期传输报告，以确保实时交互和低延迟。

USB HID数据包的传输过程如下：

1. 开始标记：传输开始时，HID设备发送一个特殊的开始标记以通知主机数据包的到来。
2. 报告ID（可选）：某些报告可能具有报告ID，用于标识报告的类型或用途。如果报告有报告ID，则它会在数据包中包含报告ID字段。
3. 数据包：数据包中包含了报告的数据。报告的数据根据报告描述符中定义的格式进行编码和组织。
4. 端点确认：在数据包传输完成后，HID设备会等待主机发送端点确认信号，以表示数据包已成功接收。
5. 可能的话，重复步骤2和3以传输下一个报告。

USB HID支持不同的速率，常见的有：

• 高速（High-Speed）：传输速率为480 Mbps（兼容USB 2.0）。
• 全速（Full-Speed）：传输速率为12 Mbps（兼容USB 1.1）。
• 低速（Low-Speed）：传输速率为1.5 Mbps（兼容USB 1.1）。

4.USB HID 驱动 - linux

 4.1 USB-HID实现方式1

       原始hid驱动

1. hid-core.c：这是Linux内核中核心的HID驱动代码文件，位于drivers/hid/hid-core.c。它提供了USB HID设备的通用驱动框架，并处理识别、初始化、输入报告解析和传输等核心功能。

2. hid-input.c：位于drivers/hid/hid-input.c，它负责处理HID设备中的输入报告，将其转换为标准的Linux输入事件，如按键、鼠标移动等。

3. hid-generic.c：位于drivers/hid/hid-generic.c，这是一个通用的HID驱动，可以用于不需要特殊处理的HID设备。它通过最小限度的解析报告描述符来驱动大多数USB HID设备。

4. hiddev.c：位于drivers/hid/usbhid/hiddev.c，它提供了一个用户空间与HID设备之间的接口，允许用户程序通过/dev/hiddevX设备文件读取和写入HID设备的原始数据。

5. hid.h：位于include/linux/hid.h，它定义了HID设备的结构体和相关的常量，供驱动程序使用。

 4.2 USB-HID实现方式2 

     USB gadget模拟

USB gadget是一种在嵌入式系统中模拟USB设备的功能，将嵌入式设备作为USB设备使用。通过模拟不同类型的USB设备，实现与外部主机的通信和数据交互。

当使用USB gadget模块在Linux系统中模拟USB HID（Human Interface Device）功能时，涉及以下重要的文件和步骤：

1. usb/gadget/hid.h：这个头文件定义了用于USB HID gadget的相关数据结构和函数接口。

2. drivers/usb/gadget/function/f_hid.c：这个文件实现了USB Function HID（HID gadget）驱动代码。它负责处理HID相关的请求和功能。

3. drivers/usb/gadget/configfs.c：这个文件实现了使用configfs接口动态配置USB gadget的相关功能。它负责解析和处理配置对象，并将配置应用于USB gadget设备。

步骤如下：

1. 配置内核：在编译Linux内核时，启用USB gadget和HID gadget相关模块。确保相关驱动程序（如f_hid）被编译为内核模块或静态编译进内核。

2. 定义HID功能：在应用程序中定义HID功能的报告描述符。报告描述符描述了HID设备的功能和数据格式，如输入、输出和特性报告。

3. 注册USB gadget驱动：在嵌入式系统启动时，通过配置文件或程序代码，注册HID gadget驱动（f_hid）并指定相关的报告描述符。

4. 配置HID gadget：使用configfs接口，动态创建和配置HID gadget设备。设置设备的标识符、报告描述符和其他属性。

5. 处理HID请求：HID gadget驱动（f_hid）负责处理来自主机的HID请求。这包括获取设备描述符、设置报告描述符、处理报告数据等。

6. 数据交互：HID gadget驱动通过与gadget核心的交互，接收来自主机的报告数据并传递给应用程序或处理器；同时，也可以发送报告数据给主机。

通过以上步骤，USB gadget成功地将嵌入式系统模拟为一个USB HID设备，实现了HID功能，并能与主机进行通信和交互。主机可以使用标准的USB HID驱动程序与模拟的HID设备进行数据传输和交互。

5.USB HID 驱动 - windows

在Windows中，使用hidsdi.h头文件可以实现USB HID（Human Interface Device）驱动的开发。hidsdi.h提供了一组函数和数据结构，用于与USB HID设备进行通信和操作。

下面是使用hidsdi.h实现USB HID驱动的基本步骤：

1. 与设备建立连接：使用SetupDiGetClassDevs函数获取与USB HID设备相关的设备信息集合。然后使用SetupDiEnumDeviceInterfaces函数遍历设备信息集合，找到所需的USB HID设备。接着，使用CreateFile函数打开与设备的连接。

2. 获取预定义的USB HID功能：通过调用HidD_GetPreparsedData函数，获取USB HID设备的预定义数据。该数据包含了设备的功能和报告描述符。

3. 解析报告描述符：使用HidP_GetCaps函数解析报告描述符，这样就可以了解设备的输入报告、输出报告和特征报告等信息。

4. 读取和写入报告数据：使用HidD_GetInputReport和HidD_SetOutputReport函数，分别读取输入报告和写入输出报告。这样可以与USB HID设备进行双向数据交互。

5. 关闭设备连接：最后，使用CloseHandle函数关闭与USB HID设备的连接。

在linux中则不需要额外编写驱动，插入设备将直接显示节点如/dev/hidrawX 

6.USB CDC 简介 

USB CDC（USB Communications Device Class）是一种USB设备类别，旨在将嵌入式系统模拟为通信设备，如串口。相比于USB HID（Human Interface Device）驱动，USB CDC驱动在通信领域有其独特的优势和缺点。

USB CDC的优势：

1. 标准化通信协议：USB CDC定义了标准的通信协议，使得与USB CDC设备进行通信的软件和驱动程序更易于开发和兼容。各种操作系统和应用程序可以通过标准接口与USB CDC设备进行通信。

2. 简化驱动程序开发：USB CDC设备类别提供了标准的通信接口和协议，减少了驱动程序的开发工作量。开发人员可以基于通用的USB CDC驱动程序开发自定义的应用程序和功能。

3. 多平台兼容性：USB CDC驱动程序具有良好的跨平台兼容性。这意味着无论是在Windows、Linux还是Mac等操作系统上，USB CDC设备都可以得到良好的支持和兼容。

4. 多种通信方式：USB CDC支持多种通信方式，包括串口通信（Virtual COM Port）、以太网通信、无线通信等。这使得USB CDC设备可以灵活适应各种通信需求。

USB CDC的缺点：

1. 相对复杂的协议：与USB HID相比，USB CDC的协议相对复杂。这意味着在开发和实现USB CDC驱动程序时，需要更多的技术和开发经验。

2. 通信速率限制：USB CDC的通信速率相对较低，不适用于高速数据传输场景。如果需要高速数据传输，可能需要考虑其他的通信方案。

3. 设备驱动需求：使用USB CDC设备时，需要安装相应的设备驱动程序。在某些情况下，特别是在需要在不同的操作系统上使用设备时，驱动程序的安装和配置可能会带来一些麻烦。

综上所述，USB CDC驱动具有标准化通信协议、简化驱动程序开发和多平台兼容性等优势，但相对复杂的协议和通信速率限制是其缺点之一。根据具体的应用需求和通信需求，选择合适的USB驱动类别。

7.usb cdc 模拟串口 - linux驱动

重要说明：

在Linux中，USB gadget子系统提供了一种通用的框架和接口，用于实现各种USB设备功能，包括USB CDC和USB HID等。使用USB gadget子系统可以更方便地管理和配置USB设备，并通过统一的接口与主机进行通信。

USB HID协议相对简单，并且通常使用单一的报告描述符来描述设备功能。因此，实现USB HID设备时，并不需要像USB CDC那样复杂的功能配置和管理，所以可以在Linux系统中单独实现USB HID驱动，而不依赖于USB gadget子系统。

USB HID设备可以直接使用HID类驱动程序进行描述和操作，而不需要像USB CDC那样需要在USB gadget子系统中进行配置。因此，在Linux中，可以通过使用HID类驱动程序和相关的API（如hidsdi.h）来实现USB HID设备的功能，而不需要依赖于USB gadget子系统。

实现步骤：

在Linux内核中，USB CDC模拟串口功能的实现依赖于以下关键文件：

1. usb/gadget/cdc.h：这个头文件定义了用于USB CDC模拟串口的相关数据结构和函数接口。

2. drivers/usb/gadget/function/f_serial.c：这个文件实现了USB Function Serial（CDC模拟串口）驱动代码。它是用于USB CDC模拟串口功能的关键文件。

3. drivers/usb/gadget/configfs.c：这个文件实现了使用configfs接口动态配置USB gadget相关功能。它负责解析和处理USB CDC模拟串口设备的配置。

下面是USB CDC模拟串口在Linux内核中的基本实现步骤：

1. 配置内核：在编译Linux内核时，确保启用了USB gadget和CDC模块。确保相关的驱动程序（如f_serial）被编译为内核模块或者静态编译进内核。

2. 注册USB Function Serial驱动：在嵌入式系统启动时，通过配置文件或者程序代码，注册USB Function Serial驱动（f_serial）并指定相关设置和属性。

3. 创建USB CDC模拟串口设备：使用configfs接口，动态创建和配置USB CDC模拟串口设备。设置设备的标识符、端口参数和其他相关属性。

4. 处理串口读写操作：USB Function Serial驱动负责处理来自主机的串口读写操作。它提供了相应的接口，以便开发人员可以在应用程序中进行串口数据读取和写入。

5. 设备连接和应用程序交互：在Linux系统中，USB CDC模拟串口设备将在/dev目录下被创建为一个字符设备。应用程序可以通过打开该设备文件并进行读写操作，与模拟的串口进行数据交换和通信。

8. USB CDC串口 驱动 - windows

在Windows系统中实现USB CDC模拟串口, 可以使用Windows Driver Frameworks (WDF) 和Serial Communications (SerCx) 驱动框架及相关的API。

以下是实现USB CDC模拟串口的一般步骤：

1. 定义USB CDC设备描述符：在设备驱动程序中定义USB CDC设备的描述符，包括Vendor ID (VID)，Product ID (PID)，设备类别，接口描述符等信息。

2. 创建驱动程序：使用Windows驱动开发工具 (如Visual Studio) 创建WDF驱动程序。

3. 配置设备：在驱动程序中使用WDF API (如WdfUsbTargetDeviceSelectConfig) 配置USB设备。

4. 注册驱动程序回调函数：注册WDF回调函数，以响应设备的插拔事件和串口数据传输事件。

5. 打开设备：在驱动程序的插拔事件回调函数中，使用WDF API (如WdfUsbTargetDeviceCreateWithParameters) 打开设备。

6. 配置串口：在设备打开后，使用SerCx API (如SerCx2InitializePort) 配置串口相关参数，如波特率、数据位、停止位等。

7. 接收和发送数据：使用SerCx API (如SerCx2ReadDataAvailable、SerCx2WriteData) 来接收和发送串口数据。

8. 关闭设备：在设备拔出或需要关闭设备时，使用WDF API (如WdfObjectDelete) 关闭设备。

在linux中则不需要额外编写驱动，插入设备将直接显示节点如/dev/ttyusb*  

9.USB存储设备驱动 - linux（内置） 

在Linux内核已经内置了对USB存储设备（如U盘）的支持，并提供了相应的USB存储驱动。

以下是Linux中实现USB存储设备驱动的一般步骤：

1. 插入USB存储设备：将USB存储设备（如U盘）插入Linux系统的USB接口。

2. 内核识别设备：Linux内核会自动识别插入的USB存储设备，并为其分配一个设备节点（如/dev/sdX）。

3. 挂载文件系统：使用挂载命令（如mount）将USB存储设备上的文件系统挂载到Linux系统的目录中。

4. 访问文件：一旦文件系统被挂载，您可以通过常用的文件操作命令（如cp、ls等）或使用文件浏览器在USB存储设备上进行读写操作。

5. 卸载设备：在结束使用USB存储设备后，使用卸载命令（如umount）卸载文件系统，并安全地将USB存储设备从系统中拔出。

大多数常见的USB存储设备（如U盘、移动硬盘）遵循通用的USB存储协议（USB Mass Storage Class），并且Linux内核已经内置了对这些设备的支持，因此不需要额外的驱动程序。