《WDF USB驱动开发指南》-- USB 设备硬件结构

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二．            USB 设备硬件结构

 

1.        主从结构

 

首先从硬件角度介绍USB，本文档的任务在于内核开发，硬件知识只能点到为止。 USB的全称是Universal Serial BUS（通用串行总线）。硬件上，他有两个显著的特点：串行数据传输、支持热拔插。从1996年1月第一个版本发布到今天，USB已经经历了四个版本：1.0、1.1、2.0和3.0。其应用遍及各个领域，方方面面。

USB的另外一个特点是他采用主从结构。两个可以互联的设备，一定有主从之分。这导致了两台主机（主设备）或者两台MP3（从设备）之间，没有办法互联。只能在设备（MP3）和主机之间建立主从互联关系。当然，后来出现了OTG，可以让设备更换角色。但并未能改变主从结构的本质。

能成为USB主机，就一定要具备两种设备：USB主控制器、USB根集线器。主控制器用来处理根集线器上的数据，交给系统处理；根集线器用来连接多个外部设备。读者请注意不能把这里的根集线器和普通USB集线器全然划等号，应当把USB集线器也理解为USB外部设备的一种，不是主机的组成部分。

 

图1 主机和设备 

从上图我们了解到，设备->集线器->控制器->系统，就像碗中杯，杯中勺一样，层层套叠。我们在使用的电脑，每台电脑都有若干个控制器，控制器上有一个或多个根集线器，集线器上又对外暴露出一个或多个USB A型接口让外部设备连接。将设备管理器的视图模式选为“按连接排序设备”后，可看到下图所示的层次结构。 

 

图2 控制器、集线器和设备 

最上层是USB EHCI接口的控制器，中间层是控制器上唯一的根集线器，最下层是连接在根集线器上的设备。

每个USB控制器，作为一个USB族群之灵魂，其驱动程序负责为子设备分配总线地址。总线地址为7位宽，由于控制器自己占一个地址，故而最多可提供（2⁷-1 = 127）个子设备地址，也就是说，每个控制器上最多能连接127个子设备。并且，这个数目包含了根集线器。

电器特性方面，标准USB接口有4个金属针脚，对应着USB线中，就是4根金属线：两根电源线，两根数据线。两根电源线，一个接5V电源，一个接地。两根数据线，实现了数据的差分传输，提高了稳定性，等于是一根线，也就是“串行”之由来了。

说到电源线，就说说设备供电。USB设备可以自己供电，也可以从总线获取电源。总线获取的电源，就是通过5V电源线传过来的。像U盘、鼠键这类小型设备，5V电源或者100mA电流足以满足其设备需求，故而多从总线获取电源；移动硬盘、打印机、专业USB声卡这种较大设备，往往需要外置电源，也就是自己供电。巧得很，我发现XP系统中的根集线器驱动程序，有自定义的电源属性页，反映了集线器设备的供电情况，截图如下：

 

图3根集线器的电源状态 

由上图可以看出，此根集线器是自供电的，可用电量高达500mA/每个端口，两个端口就到达了1A电量，这是总线供电无法达到的。

2. 硬件拓扑

再说USB设备的拓扑结构。分为三层：硬件接口、统筹模块、多个功能模块。借助于这种结构，实现了多种功能集纳于同一个设备的优势。这样的话，鼠标、键盘、游戏柄三者合一，就不是什么难事。

图4  USB设备拓扑结构 

         有时候，这种结构令我联想到一把折扇。折起来的时候，只能看到一个骨架；打开的时候，却变成了十数背大。我是把这些骨架，当成了USb设备中的功能模块了。

如何理解上面的拓扑图呢？从硬件自身来看，设备是唯一的。故而对外的接口也是唯一的。这就对应着图中的“总线接口”模块。然则，设备存在的目的，当然是为了完成一定的工作，他能实现多少功能，即表示内部有多少独立的“功能模块”。现在好了，多个功能，同处一个设备，岂不打架了？需要有统筹单位来协调资源，这就得请出“逻辑设备”来。

很难在设备中用手指出来，那个部位对应着“逻辑设备”，因为拓扑结构中的模块都是抽象的。固件中的某几个函数，某几行代码，可能就构成了一个逻辑模块。

我们不用去考虑USB固件代码，如何运作甚至如何书写，但读者要有个认知底线：USB设备中是有程序在运行的。有人奇怪设备是怎么和主机通信、连接的，想破脑袋，却想不到设备中也有个CPU，也有运行着的代码。

CY001开发套件中包含了固件代码，C51编程。C51和C语言很类似，入手会比较顺。固件开发是一件很艰难的工作，未必比驱动开容易。但二者没有可比性，简直就是两个世界的。

<font style="line-height: 172%; font-size: 10.5pt;" face=""">3. USB中断

USB的“从主”关系还有另外一层含义：主机向设备发布命令，设备相应命令；主机如果没有命令发送，设备不能主动联系主机。“主人”不言语，“仆人”难吱声。即使是在进行输入传输的情况下——也就是说设备向主机发送数据——数据过程也是在主机的指导下完成的。

这很容易就牵扯到另一个话题：USB中断。中断从来都是主动的，现在USB设备处于“仆人”地位，哪里能够主动呢？所以众所周知，USB中断是 “伪中断”。

真正的中断，不管硬中断也好，软中断也好，一定是主动发生的。即中断源出现了，相应的中断事件即随之产生。中断是一件“意外”，并且“主动”发生。

USB的伪中断是另外一回事：USB设备总是把数据保存在设备内存中，等待主机来索取；如果主机果然来索取，就立刻把数据交给它；否则要么仍旧一直保存着，要么当新的中断数据到来时被覆盖。

从这个意义上来说，USB设备的中断端口和批量端口本质上就非常像了，将批量端口加上主机轮询，差不多也就变成一个中断端口了。后文《内核开发》部分会详细讲述批量、中断端口的读写。