USB驱动开发基础

USB标准

• USB1.0， 1996，低速1.5Mbps和高速12Mbps，USB1.1 iMac G3，Type A和Type B接口
• USB 2.0 2000， 480Mpbs，Type A/B/C接口、Micro A/B
• USB 3.0 5Gbps, 随着USB 3.2命名规定，现在也叫USB 3.2 Gen1
• USB 3.1 10Gpbs，现在称为USB 3.2 Gen2
• USB 3.2 USB 3.2 Gen2*2 10Gpbs
• USB 4，基于雷电3协定，功率提升到240W， 40Gbps

USB接口类型TypeA/B/C

https://zhuanlan.zhihu.com/p/447595295

USB端点

端点可以看作是一个单向的管道，USB通讯的基本方式是通过端点完成的，端点有四种类型：

• CONTROL控制：允许对USB设备的不同部分存取，常用来配置设备、获取关于设备的信息、发送命令到设备、获取设备的状态报告
• INTERRUPT中断：创送少量的数据，固定传输速率，比如USB键盘和鼠标
• BULK块：传送大量的数据，不能有数据丢失，比如打印机、存储器和网络设备上
• ISOCHRONOUS同步：传送大量数据、但是数据不保证完成，比如实时数据采集设备，如音频或者视频

USB接口

USB端点被绑在接口中，USB接口只处理一类USB逻辑连接，每个USB驱动控制一个接口

USB配置

USB接口被捆绑到配置上，一个USB设备可能有多个配置并在它们之间转换

USB设备、端点、接口、配置关系

• 设备通常有一个或者多个配置
• 配置常常有一个或者多个接口
• 接口常常有一个活动多个设置
• 接口有零或者多个端点
  

URB

USB Request Block，一个URB用来发送或者接受数据

URB声明周期

• 被一个USB设备驱动创建
• 安排一个特定的USB设备的特定端点
• 被USB设备驱动提交给USB核心
• 提交给被USB核心指定的USB主机控制器驱动
• 被USB主机控制器处理，进行一次USB设备的传送
• URB完成时，USB主机控制器驱动通知USB设备驱动

USB驱动总统框架

从主机侧看：
USB主机控制器：负责协调主机和设备的通信
USB主机控制器驱动：控制插入的USB设备
USB核心：USB驱动管理和协议处理的主要工作，定义一些数据结构、宏和功能函数，向上为设备驱动提供编程接口、向下为USB主机控制器驱动提供编程接口，维护整个系统USB设备信息，完成设备热插拔控制，总线数据传输
USB设备驱动：控制USB设备如何与主机通信
从设备侧看：

• UDC驱动程序直接访问硬件、控制USB设备和主机间的底层通信，向上提供与硬件相关操作的回调函数
• Gadget Function API是UDC驱动程序回调函数的简单包装
• Gadget Function驱动程序具体控制USB设备功能的实现，使设备表现出网络连接、打印机或者USB Mass Storage等特性

USB主机控制器驱动

OHCI：非PC系统上以及带有SiS和ALi芯片组的PC主板
UHCI：大多数其他主板上的USB芯片
EHCI：兼容OHCI和UHCI
xHCI：面向USB 3.0

USB的探测和断开函数

探测函数：设备插入时初始化硬件资源
断开函数：设备拔出时释放硬件资源

Gadget Function驱动

• Ethernet over USB：驱动模拟以太网网口，例如CDC Ethernet、CDC Subset以及RNDIS
• File-Backed Storage Gadget: 最常见的U盘功能实现
• Serial Gadget： 串口，例如Generic Serial和CDC ACM规范实现
• Gadget MIDI：暴露ALSA MIDI接口
• USB Video Class Gadget驱动：让Linux系统成为另外一个系统的USB视频采集源
• GadgetFS：Gadget文件系统

DMA

工作原理： DMA是一种数据传输方式，允许外部设备（如硬盘控制器、网络接口等）直接访问系统内存，而不需要CPU的直接干预。DMA控制器获得系统总线的控制权，通过将数据直接从外部设备传输到内存或从内存传输到外部设备，从而避免了CPU的中断和参与，提高了数据传输效率。
应用场景： 适用于需要大量数据传输或实时数据传输的场景，比如高速网络数据包处理、高性能存储设备等。DMA通常用于设备之间的数据传输，而不涉及CPU直接处理数据。

mmap

工作原理： mmap是一种内存映射技术，允许将文件或其他对象映射到进程的地址空间中。这样，进程可以直接通过访问内存来读写文件内容，而不需要通过传统的文件I/O调用。mmap允许文件数据在内存中进行缓存和访问，提高了文件访问速度。
应用场景： 主要用于文件I/O，可以加速对文件的访问。在许多情况下，将文件映射到内存中可以提高读写文件的效率，并允许以更直接的方式处理文件数据。