《Linux设备驱动开发详解》本书全面而详细地讲解了Linux设备驱动开发中涉及的理论以及多种设备驱动的框架。第20章主要讲解从主机侧角度看到的USB主机控制器驱动和设备驱动。本文写的是设备、配置、接口、端点。
设备、配置、接口、端点
在USB设备的逻辑组织中，包含设备、配置、接口和端点4个层次。
每个USB设备都提供了不同级别的配置信息，可以包含一个或多个配置，不同的配置使设备表现出不同的功能组合（在探测/连接期间需从其中选定一个），配置由多个接口组成。
在USB协议中，接口由多个端点组成，代表一个基本的功能，是USB设备驱动程序控制的对象，一个功能复杂的USB设备可以具有多个接口。每个配置中可以有多个接口，而设备接口是端点的汇集（collection）。例如USB扬声器可以包含一个音频接口以及对旋钮和按钮的接口。一个配置中的所有接口可以同时有效，并可被不同的驱动程序连接。每个接口可以有备用接口，以提供不同质量的服务参数。
端点是USB通信的最基本形式，每一个USB设备接口在主机看来就是一个端点的集合。主机只能通过端点与设备进行通信，以使用设备的功能。在USB系统中每一个端点都有惟一的地址，这是由设备地址和端点号给出的。每个端点都有一定的属性，其中包括传输方式、总线访问频率、带宽、端点号和数据包的最大容量等。一个USB端点只能在一个方向承载数据，或者从主机到设备（称为输出端点），或者从设备到主机（称为输入端点），因此端点可看作一个单向的管道。端点0通常为控制端点，用于设备初始化参数等。只要设备连接到USB上并且上电端点0就可以被访问。端点1、2等一般用作数据端点，存放主机与设备间往来的数据。\
总体而言，USB设备非常复杂，由许多不同的逻辑单元组成，如图20.2所示，这些单元之间的关系如下：
 |
| 图20.2 USB设备、配置、接口和端点 |
l 设备通常有一个或多个配置；
l 配置通常有一个或多个接口；
l 接口通常有一个或多个设置；
l 接口有零或多个端点。
这种层次化配置信息在设备中通过一组标准的描述符来描述，如下所示。
l 设备描述符：关于设备的通用信息，如供应商ID、产品ID和修订ID，支持的设备类、子类和适用的协议以及默认端点的最大包大小等。在Linux内核中，USB设备用usb_device结构体来描述，USB设备描述符定义为usb_device_descriptor结构体，如代码清单20.1所示。
代码清单20.1 usb_device_descriptor结构体
1 struct usb_device_descriptor
2 {
3 _ _u8 bLength; //描述符长度
4 _ _u8 bDescriptorType; //描述符类型编号
5
6 _ _le16 bcdUSB; //USB版本号
7 _ _u8 bDeviceClass; //USB分配的设备类code
8 _ _u8 bDeviceSubClass;// USB分配的子类code
9 _ _u8 bDeviceProtocol; //USB分配的协议code
10 _ _u8 bMaxPacketSize0; //endpoint0最大包大小
11 _ _le16 idVendor; //厂商编号
12 _ _le16 idProduct; //产品编号
13 _ _le16 bcdDevice; //设备出厂编号
14 _ _u8 iManufacturer; //描述厂商字符串的索引
15 _ _u8 iProduct; //描述产品字符串的索引
16 _ _u8 iSerialNumber; //描述设备序列号字符串的索引
17 _ _u8 bNumConfigurations; //可能的配置数量
18 } _ _attribute_ _ ((packed));
|
l 配置描述符：此配置中的接口数、支持的挂起和恢复能力以及功率要求。USB配置在内核中使用usb_host_config结构体描述，USB配置描述符定义为结构体usb_config_descriptor，如代码清单20.2所示。
代码清单20.2 usb_config_descriptor结构体
1 struct usb_config_descriptor
2 {
3 _ _u8 bLength; //描述符长度
4 _ _u8 bDescriptorType; //描述符类型编号
5
6 _ _le16 wTotalLength; //配置所返回的所有数据的大小
7 _ _u8 bNumInterfaces; // 配置所支持的接口数
8 _ _u8 bConfigurationValue; //Set_Configuration命令需要的参数值
9 _ _u8 iConfiguration; //描述该配置的字符串的索引值
10 _ _u8 bmAttributes; //供电模式的选择
11 _ _u8 bMaxPower; //设备从总线提取的最大电流
12 } _ _attribute_ _ ((packed));
|
l 接口描述符：接口类、子类和适用的协议，接口备用配置的数目和端点数目。USB接口在内核中使用usb_interface结构体描述，USB接口描述符定义为结构体usb_interface_descriptor，如代码清单20.3所示。
代码清单20.3 usb_interface_descriptor结构体
1 struct usb_interface_descriptor
2 {
3 _ _u8 bLength; //描述符长度
4 _ _u8 bDescriptorType; //描述符类型
5
6 _ _u8 bInterfaceNumber; // 接口的编号
7 _ _u8 bAlternateSetting; //备用的接口描述符编号
8 _ _u8 bNumEndpoints; //该接口使用的端点数，不包括端点0
9 _ _u8 bInterfaceClass; //接口类型
10 _ _u8 bInterfaceSubClass; //接口子类型
11 _ _u8 bInterfaceProtocol; //接口所遵循的协议
12 _ _u8 iInterface; //描述该接口的字符串索引值
13 } _ _attribute_ _ ((packed));
|
l 端点描述符：端点地址、方向和类型，支持的最大包大小，如果是中断类型的端点则还包括轮询频率。在Linux内核中，USB端点使用usb_host_endpoint结构体来描述，USB端点描述符定义为usb_endpoint_descriptor结构体，如代码清单20.4所示。
代码清单20.4 usb_endpoint_descriptor结构体
1 struct usb_endpoint_descriptor
2 {
3 _ _u8 bLength; //描述符长度
4 _ _u8 bDescriptorType; //描述符类型
5 _ _u8 bEndpointAddress; //端点地址：0～3位是端点号，第7位是方向(0-OUT,1-IN)
6 _ _u8 bmAttributes; //端点属性：bit[0:1] 的值为00表示控制，为01表示同步，为02表示批量，为03表示中断
7 _ _le16 wMaxPacketSize; //// 本端点接收或发送的最大信息包的大小
8 _ _u8 bInterval;//轮询数据传送端点的时间间隔
9 //对于批量传送的端点以及控制传送的端点，此域忽略
10 //对于同步传送的端点，此域必须为1
11 //对于中断传送的端点，此域值的范围为1～255
12 _ _u8 bRefresh;
13 _ _u8 bSynchAddress;
14 } _ _attribute_ _ ((packed));
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l 字符串描述符：在其他描述符中会为某些字段提供字符串索引，它们可被用来检索描述性字符串，可以以多种语言形式提供。字符串描述符是可选的，有的设备有，有的设备没有，字符串描述符对应于usb_string_descriptor结构体，如代码清单20.5所示。
代码清单20.5 usb_string_descriptor结构体
1 struct usb_string_descriptor
2 {
3 _ _u8 bLength; //描述符长度
4 _ _u8 bDescriptorType; //描述符类型
5
6 _ _le16 wData[1];/* 以UTF-16LE编码 */
7 } _ _attribute_ _ ((packed));
|
例如，笔者在运行Linux 2.6.15.5的系统上插入一个SanDisk U盘后，通过lsusb命令得到这个U盘相关的描述符，从中可以显示这个U盘包含了一个设备描述符、一个配置描述符、一个接口描述符以及批量输入和批量输出两个端点描述符。呈现出来的信息内容直接对应于usb_device_descriptor、usb_config_descriptor、usb_interface_descriptor、usb_endpoint_descriptor、usb_string_descriptor结构体，如下所示：
Bus 001 Device 004: ID 0781:5151 SanDisk Corp.
Device Descriptor:
bLength 18
bDescriptorType 1
bcdUSB 2.00
bDeviceClass 0 Interface
bDeviceSubClass 0
bDeviceProtocol 0
bMaxPacketSize0 64
idVendor 0x0781 SanDisk Corp.
idProduct 0x5151
bcdDevice 0.10
iManufacturer 1 SanDisk Corporation
iProduct 2 Cruzer Micro
iSerial 3 20060877500A1BE1FDE1
bNumConfigurations 1
Configuration Descriptor:
bLength 9
bDescriptorType 2
wTotalLength 32
bNumInterfaces 1
bConfigurationValue 1 |
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