usb声卡驱动（一）：USB描述符

usb声卡驱动（一）

前面看了内核的启动，接下来就是驱动的学习。

正好手边有一个USB声卡，就准备以此为基础，进行usb声卡驱动的学习。

因此，在学些usb声卡之前，先看看usb驱动。然后再是alsa驱动，然后再是两者的结合

usb的关键数据结构

任何usb设备，都有一段数据，用来描述自己。比如自己有什么功能，自己的厂商ID是多少等等

有个组织，定义了这段数据的组织形式和意义，这段数据称为USB描述符。这个组织叫USB-IF(USB Implementers Forum)

USB描述符的组织形式

usb描述符，逻辑上分成三个层级：配置，接口，端点

一个usb设备描述符，可能包含多个配置，一个配置可能包含多个接口，一个接口可能包含多个端点。

上述每一个逻辑体，在linux中都有一个数据结构与之对应。

配置描述符：

struct usb_config_descriptor {
	__u8  bLength;//描述符的长度
	__u8  bDescriptorType;//描述符的类型，有两种值：USB_DT_CONFIG,USB_DT_OTHER_SPEED_CONFIG (表示高速设备操作在低速或者全速模式时的配置信息)

	__le16 wTotalLength;//所有描述符的总长度
	__u8  bNumInterfaces;//配置包含的接口数目
	__u8  bConfigurationValue;//表示这个配置的一个数字。使用该值，调用SET_CONFIGURATION请求来设置此配置为当前配置
	__u8  iConfiguration;//描述配置信息的字符串描述符的索引值
	__u8  bmAttributes;//表示配置的一些特点，如bit6为1表示self-power;bit5为1表示支持远程唤醒
	__u8  bMaxPower;//设备正常运作时，从hub分得的最大电流，单位2mA。
    //那么当设备请求的电流，大于hub能给予的最大值时，hub就会直接拒绝
    //而保存hub当前能给出的最大电流保存在struct usb_device的bus_mA中。
} __attribute__ ((packed));

接口描述符：

struct usb_interface_descriptor {
	__u8  bLength;//该描述符的长度
	__u8  bDescriptorType;//描述符的类型

	__u8  bInterfaceNumber;//每个配置里面可以包含多个接口，这个值可以表示对应的接口索引号
	__u8  bAlternateSetting;//接口使用的可选设置号。默认为0
	__u8  bNumEndpoints;//接口拥有的端点个数，不包括0端点（后续说明原因）
    //下面三个，用于表示这个接口，具备的功能。由于各个功能其实有很多共同点，因此将其抽象出三个层级：class，subclass,protocol.
    //同一个class下面，可以有很多subclass，同一个subclass下，也可以根据protocol的不同，分成很多的设备
	__u8  bInterfaceClass;
	__u8  bInterfaceSubClass;
	__u8  bInterfaceProtocol;
	__u8  iInterface;//接口对应的字符串描述符的索引值
} __attribute__ ((packed));

端点描述符：

struct usb_endpoint_descriptor {
	__u8  bLength;//描述符的长度
	__u8  bDescriptorType;//端点的类型

	__u8  bEndpointAddress;//该字段含有，端点方向信息，地址信息，端点号信息
	__u8  bmAttributes;//bit1，bit0 表示传输类型:00控制类型，01登时，10批量，11中断
	__le16 wMaxPacketSize;//端点一次处理的最大字节数
	__u8  bInterval;//希望主机轮询自己的时间间隔。

	/* NOTE:  these two are _only_ in audio endpoints. */
	/* use USB_DT_ENDPOINT*_SIZE in bLength, not sizeof. */
    //下面两个字段，用于在音频设备中，主要用于等时同步端点，会在后面介绍audio协议的时候，引入介绍
	__u8  bRefresh;
	__u8  bSynchAddress;
} __attribute__ ((packed));

除了上面的三个描述以外，还有一个重要的描述，那就是设备描述符：

struct usb_device_descriptor {
	__u8  bLength;//描述符的长度
	__u8  bDescriptorType;//描述符的类型

	__le16 bcdUSB;//USB spc的版本号
    //和接口描述符中的class，subclass,protocol意义类似
	__u8  bDeviceClass;
	__u8  bDeviceSubClass;
	__u8  bDeviceProtocol;

	__u8  bMaxPacketSize0;//端点0一次可以处理的最大字节数.因为端点0没有对应的描述符，所以，将端点0的相关信息，放在了设备描述符中
	__le16 idVendor;//厂商ID
	__le16 idProduct;//产品ID
	__le16 bcdDevice;//设备版本号
	__u8  iManufacturer;//制造商对应的字符串描述符的索引值
	__u8  iProduct;//产品对应的字符串描述符的索引值
	__u8  iSerialNumber;//序列号对应的字符串描述符的索引值
	__u8  bNumConfigurations;//该设备当前速度模式下的配置数量
} __attribute__ ((packed));

现在我们知道了usb设备大概有哪些信息，接下来查看一下，应该怎么才能获取到上面的这些

USB描述符的获取

当一个新的设备，插入USB 总线后，这些信息该如何获取呢？

第一步：如何检测到硬件已经被插入

常规的usb接口，有四根线，gnd线，vcc线，D+线，D-线。在hub端D+，D-分别接了一个15k的下拉电阻到地。

而在设备端，D+或者D-端接了一个1.5k的上拉电阻。低速设备接在D-端。高速和全速设备接在D+端。

当设备插入hub时，hub能通过D+，D-上面的变化来区分设备的类型。

第二步：如何区分全速设备和高速设备

对于全速设备和高速设备而言，他们的上拉电阻都接在了D+端。为了进一步区分这两种设备。需要进行一定的通信。

为了简化通信的细节，现在大致描述如下：

1. 当设备进入复位状态之后，设备持续一段时间的向hub发送信号。这个信号就是给D-持续输出17.87mA的电流。

2. hub因为有自己的电阻，所以，它能检查到一定的电压，大概为800mV

3. hub在检查到持续了一段时间的800mV的电压之后，就知道，哦，原来这是一个高速设备。

4. hub在接下来100us内，进行响应。告诉设备，我已经知道你是高速设备了，并且我也切换到了高速模式下了。

5. 设备在接受到hub的响应之后，就将自己切换到高速设备的电路上。

上面所述的5个步骤，在电气信号上面的详细描述，可以参考：
https://blog.csdn.net/flydream0/article/details/71512852

第三步：获取设备描述符

现在，设备已经连上，接下来，就是获取设备的信息（设备描述符）。但是在此之前，需要明白一个东西：那就是usb的数据包，到底是怎么组织的。

usb数据包的组织

我们都知道电信号只能传递0和1的逻辑值。在usb的世界里，将这些0和1排列组合，组成7种基本的信息，称为域，分别叫做：同步域（SYNC），标识域（PID），地址域（ADDR），端点域（ENDP），帧号域（FRAME），数据域（DATA），校验域（CRC）

在这些域的上层，则定义4种包：令牌包，数据包，握手包，特殊包。这些包都是由上面介绍的域组合而成。

令牌包有四种，分别为：输入，输出，设置，帧起始。前面三种的域的组成情况一样，为SYNC+PID+ADDR+ENDP+CRC.第四种的域组成为，SYNC+PID+FRAME+CRC

数据包有两种，分别为：DATA0，DATA1。他们的域组成一样都为：SYNC+PID+DATA+CRC

握手包，只有一种，它的域组成为：SYNC+PID

现在有了这些包之后，我们使用这4种包来定义各种不同的事务。目前就定义了3种事务，称为：IN事务，OUT事务，SETUP事务。

每种事务，都由三个阶段组成：令牌包阶段，数据包阶段，握手包阶段

令牌包阶段：启动输入、输出、设置事务

数据包阶段：按照输入、输出发送相应的数据

握手包阶段：返回数据的接收情况

现在知道了3种事务之后，就可以使用这3中事务，进行传输了，传输也分成了4种：中断传输，批量传输，同步传输，控制传输

中断传输：由OUT事务和IN事务构成

批量传输：由OUT事务和IN事务构成

同步传输：由OUT事务和IN事务构成

控制传输：由SETUP事务，（OUT事务，IN事务）构成

现在知道了上面的东西，就可以进一步知道，怎么获取设备描述符了。

注意：上面只是介绍了各个数据包的组成成分，对于这些成分的具体二进制值没有介绍。因为我关心的是整个过程的理解，而不是具体的二进制是什么样子的。如果需要查看具体的二进制，可以参考对应的文章

在设备才连上hub时，此时设备还处于一种默认的状态，它没有地址，为了能够响应主机发出的请求。它将地址0作为默认地址。

那么获取设备描述的过程，大致描述如下：

第一阶段

1. 首先使用一个Get_Descriptor这个请求。这个请求使用的是SETUP事务，它由令牌包，数据包，握手包组成.

2. 然后再次发一个数据输入的请求。这个请求使用的是IN事务，它同样由令牌包，数据包，握手包组成。

3. 然后再次发送一个数据输出请求——用于通知设备，Get_Descriptor请求的状态。这次使用的是OUT事务，它同样有三个阶段

4. 现在主机已经拥有了usb设备的描述符信息。

第二阶段

1. 已经知道了部分数据之后，需要为该设备分配地址。

2. 发出一个Set_Address请求。这个请求跟第一阶段的第一步几乎一样，使用的是SETUP事务

3. 本次的数据为地址，但是地址已经放在了Set_Address请求中了。所以不需要传输数据。

4. 为了获得Set_Address请求是否成功，需要接受设备的响应。因此发送一个数据输入请求，即跟第一阶段的第二步一样。

第三阶段

1. 当一切正常之后，就使用新的地址，重新获取设备描述符。获取设备描述符的过程见第一阶段，长度稍有不同，不过不影响整个过程的理解

2. 除了设备描述符以外，还需要获取其他的描述符。如配置描述符，接口描述符，端点描述符，字符串描述符等。

3. 根据这些描述符的内容，选择不同的驱动程序

至此，整个设备才算是完完全全的能被使用了。

注意，注意：上面所有的步骤，建立在两个前提下。1.默认所有的操作都正常；2.描述过程时使用的是数据包中的更加抽象的语言。并没有引入具体的二进制数值

本篇相当于，usb设备的一个枚举过程。

接下来一篇，用于说明，音频设备描述符的相关细节