一、概述

二、usb总线硬件原理

三、usb总线通信协议

四、uboot基于DM框架的usb驱动代码流程

一、概述

　　本文旨在对usb总线驱动的学习做一个总结；

　　先描述usb总线的硬件结构及工作原理；

　　然后描述usb总线通信协议规范的主要内容，搞清楚usb主机和usb设备是如何基于包进行通信的；

　　最后，基于usb总线的硬件原理和usb通信协议，描述uboot下面基于DM驱动框架的usb驱动软件是如何实现的，先描述usb控制器驱动初始化，usb hub的扫描配置，然后扫描usb hub的port上连接的usb设备，最后，以dm9601 usb网卡驱动为例，说明如何通过usb总线访问dm9601内部的寄存器，如何通过usb总线与dm9601进行数据收发。

二、usb总线硬件原理

　　介绍usb总线的硬件结构，整体框架、组成部件（usb控制器、hub、usb设备）、总线拓扑结构。

2.1 usb总线拓扑结构

　　下图是usb总线的拓扑结构，由usb控制器、hub以及各类usb设备构成一种树型结构，其中usb控制器内部有且仅有一个root hub。

　　下图是hub的框图，hub是用来连接usb设备的，一般hub有多个port，每个port可连接一个usb设备，也可连接另一个hub继续扩展。

2.2 usb控制器结构框图

　　下图是一个usb控制器的结构框图，控制器内部包括处理usb协议相关的组件、寄存器、数据包缓存、root hub、以及用于连接外部差分信号线的USB PHY；

2.3 usb设备结构框图（DM9601）

　　如下是usb设备dm9601网卡的结构框图，除了网卡相关的mac和phy组件外，还包括一个usb控制接口；

三、usb总线通信协议

　　usb通信协议规定了usb设备和usb总线通信的规范，所有厂商的usb设备都遵守这些规范，因此所有厂商的usb设备都可以基于usb通信协议进行通信；

　　对于usb设备，usb通信协议规定，每个usb设备都需要有设备描述符、配置描述符、接口描述符、端点描述符、字符串描述符（可选）、这些描述符内容结构固定，描述了设备的属性和具备的功能；usb主机通过这些描述符对设备进行类别识别、配置，并匹配对应的驱动程序，比如在usb设备枚举时，通过产商ID匹配驱动程序；

　　对于usb主机和usb设备的通信，usb协议规定了usb主机和usb设备之间如何实现通信：

　　usb主机和设备的通信使用主从模式，数据读写只能由主机发起，比如usb设备不能主动发数据给主机，必须由主机给usb设备发读命令，然后usb设备再将数据发给主机；

　　usb主机和设备的信息传输基于包实现，包由多个字段构成，usb协议定义了4种类型的包：令牌包、数据包、握手包、特殊包；usb主机和设备的每次通信都要互相收发多个包实现，比如usb主机要从usb设备读一个数据：首先发一个令牌包告知设备要读数据、然后设备将数据通过数据包发给主机、主机收到数据后发送握手包给设备确认收到数据；

　　需要说明的是，usb设备功能的控制由端点实现，每个usb设备都有多个端点，各端点分别控制不同的功能；对于usb主机来说，可以通过读取端点描述符知晓对应端点的属性，每个端点有各自的端点号，包的地址字段包含要访问的端点号，usb主机通过端点号访问端点，从而实现和usb设备的通信。

3.1 usb设备的描述符

　　usb协议为usb设备定义了一套描述设备功能和属性的有固定结构的描述符，包括设备描述符、配置描述符、接口描述符、端点描述符、字符串描述符；

3.1.1 设备描述符

　　每个usb设备只有一个设备描述符，描述了设备的一般信息，包括制造商标识号ID、产品序列号、所属设备类号、默认端点的最大包长度、配置描述符的个数：

 1 struct usb_device_descriptor {
 2     u8 bLength;
 3     u8 bDescriptorType;    /* 0x01 */
 4     u16 bcdUSB;
 5     u8 bDeviceClass;
 6     u8 bDeviceSubClass;
 7     u8 bDeviceProtocol;
 8     u8 bMaxPacketSize0;
 9     u16 idVendor;
10     u16 idProduct;
11     u16 bcdDevice;
12     u8 iManufacturer;
13     u8 iProduct;
14     u8 iSerialNumber;
15     u8 bNumConfigurations;
16 } __attribute__ ((packed));

3.1.2 配置描述符

　　每个usb设备可能有多个配置描述符，内容主要包括usb设备的供电方式、最大耗电量、此配置支持的接口个数等：

 1 struct usb_configuration_descriptor {
 2     u8 bLength;
 3     u8 bDescriptorType;    /* 0x2 */
 4     u16 wTotalLength;
 5     u8 bNumInterfaces;
 6     u8 bConfigurationValue;
 7     u8 iConfiguration;
 8     u8 bmAttributes;
 9     u8 bMaxPower;
10 } __attribute__ ((packed));

3.1.3 接口描述符

　　一个配置可能包含多个接口，一个接口表示一个设备具备的某一个功能，多个接口表示一个设备具备多个功能，我们编写的usb设备驱动程序是服务于一个接口的，也就是一个接口对应一个usb设备驱动程序：

 1 struct usb_interface_descriptor {
 2     u8 bLength;
 3     u8 bDescriptorType;    /* 0x04 */
 4     u8 bInterfaceNumber;
 5     u8 bAlternateSetting;
 6     u8 bNumEndpoints;
 7     u8 bInterfaceClass;
 8     u8 bInterfaceSubClass;
 9     u8 bInterfaceProtocol;
10     u8 iInterface;
11 } __attribute__ ((packed));

3.1.4 端点描述符

　　端点是usb主机和设备间通信的逻辑接口，每个设备都有一个端点0，在设备还没有分配地址时，主机通过这个接口和设备通信，一般功能端点都是单向的，也就是只能被主机写或者只能被主机读，但是这个端点0是双向的，并且没有端点描述符；端点描述符描述了数据的传输类型（控制传输、中断传输、批量传输、同步传输）、传输方向、数据包大小和端点号：

1 struct usb_endpoint_descriptor {
2     u8 bLength;
3     u8 bDescriptorType;    /* 0x5 */
4     u8 bEndpointAddress;
5     u8 bmAttributes;
6     u16 wMaxPacketSize;
7     u8 bInterval;
8 } __attribute__ ((packed));

3.1.5 字符串描述符

　　字符串描述符是一个可选信息，描述了如制造商、设备名称、序列号等信息：

1 struct usb_string_descriptor {
2     u8 bLength;
3     u8 bDescriptorType;    /* 0x03 */
4     u16 wData[0];
5 } __attribute__ ((packed));

3.2 usb主机和usb设备的通信

3.2.1 主机和设备通信流程

　　usb主机和设备的通信通过主机访问设备的端点实现，通信方式基于4种类型的包（令牌包、数据包、握手包、特殊包），包是USB信息传输的基本单元，包由5个字段组成：同步字段（SYNC）、包标识符字段（PID）、数据字段（数据字段由地址（设备地址和端点号）、frame number、Data构成）、CRC字段、结尾字段（EOP）；

　　对于不同场景的通信任务，usb协议定义了4种传输方式：控制传输、中断传输、批量传输、同步传输，对应的，每个端点的传输类型都属于其中一种；

　　控制传输（双向）：主要传输对设备的控制指令、设备状态查询及确认命令，用于连接时的设备枚举，不允许出错或丢失；

　　中断传输（单向）：仅输入主机的少量数据，如鼠标；

　　批量传输（单向、双向）：大批量数据的传输，实时性不强，但是要求不能出错，若出错应重新传输，用于U盘、打印机、数码相机等；

　　同步传输（单向、双向）：连续的固定速率数据的传输，要求低延时传输，应开辟较大缓冲区，并确保低误码率。

　　因此，usb主机和usb设备的通信就是通过这4种传输方式实现。

　　每次传输都需要主机和设备互相收发多个不同的包实现，为了描述这个过程，还需要引入事务这个概念，setup事务、输入事务、输出事务：

　　setup事务：主机用来向设备发送控制命令，

　　　　1、主机向设备发送令牌信息包，告知设备主机要写数据；

　　　　2、主机将命令通过数据包发给设备；

　　　　3、设备向主机发送握手包确认收到数据；

　　输入事务：主机用来从设备读取数据，

　　　　1、主机向设备发送令牌信息包，告知设备主机要读数据；

　　　　2、设备向主机发送数据包；

　　　　3、主机向设备发送握手包确认收到数据；

　　输出事务：主机用来向设备发送数据，

　　　　1、主机向设备发送令牌信息包，告知设备主机要写数据；

　　　　2、主机向设备发送数据包；

　　　　3、设备向主机发送握手包确认收到数据；

　　比如，在设备枚举阶段，主机读取设备的配置描述符，需要使用控制传输访问设备的控制端点0，需要使用到3种事务，步骤如下：

 1 /*
 2  * 设备描述符读取步骤
 3  * 使用控制传输读
 4 */
 5 1、设置事务（setup stage）
 6     主机向设备写入获取设备描述符的命令，这个事务由3个数据包完成
 7     令牌包（setup：OUT）：告知设备主机要写数据
 8     数据包（主机->设备）：使用设备地址0向端点0写入获取描述符的命令
 9         8字节命令字段：
10             1byte：bmRequestType
11             1byte：bRequest
12             2byte：wvalue
13             2byte：wIndex
14             2byte：wLength
15     握手包：设备向主机回复ACK
16 
17 2、输入事务（data stage）
18     主机向设备发送IN方向的令牌包，设备将设备描述符发给主机，然后主机回复握手包给设备
19     令牌包（setup：IN）：向设备告知要读数据
20     数据包（设备->主机）：设备将描述符发给主机
21     握手包：主机向设备回复ACK
22 
23 3、输出事务（status stage）
24     状态信息步骤，因为描述符有18字节，上面只读了16字节，所以设备所处的状态是等到主机读剩余2字节，但是主机不需要读这2字节，
25     因此发送空的写数据事务，用来复位设备的状态，以告知设备主机已经接收完数据
26     令牌包（setup：OUT）：向设备告知要写数据
27     数据包（主机->设备）：发送包，但是数据内容为空
28     握手包：设备向主机回复ACK

3.2.2 usb请求命令

　　usb协议定义了11种请求命令，命令由8个字节构成，命令封装在数据包的data字段发给usb设备，这8个字节命令格式为：

1 8字节命令字段：
2             1byte：bmRequestType
3             1byte：bRequest
4             2byte：wvalue
5             2byte：wIndex
6             2byte：wLength

　　11种命令分别是：

　　GET_STATUS、CLEAR_FEATURE、SET_FEATURE、SET_ADDRESS、GET_DESCRIPTOR、SET_DESCRIPTOR、GET_CONFIGURATION、SET_CONFIGURATION、GET_INTERFACE、SET_INTERFACE、SYNCH_FRAME；

　　厂商可以选择性支持部分命令，如下是dm9601支持的usb标准命令：

　　厂商除了支持标准usb命令，还可以定义自己的usb命令，如下是2条dm9601自定义的用于读写内部寄存器的命令：

四、usb驱动流程

　　本节总结uboot基于DM代码框架的usb驱动流程，大致内容如下：

　　设置usb控制器；

　　扫描usb控制器下挂的设备，usb hub；

　　设置usb hub；

　　扫描usb hub的所有port；

　　枚举port连接的usb设备；

　　调用usb设备驱动的probe函数，也就是dm9601 usb网卡驱动的probe函数；

4.1 设置usb控制器

　　这个阶段会设置usb phy的寄存器、设置usb控制器的寄存器，让usb控制器工作起来，可以发包扫描usb设备。

4.2 枚举usb root hub

　　首先，usb控制器使用设备地址0访问root hub的端点0，读取root hub的设备描述符，然后设置root hub的设备地址（每次枚举到一个设备，这个地址就增加1，也就是下一个枚举到的设备地址比root hub加1），然后选择一个默认配置，接着读取厂商、制造、序列号的字符串描述符；接着，设备驱动使用读取到的root hub的厂商ID匹配hub的驱动程序，从而调用相关的probe函数，对root hub进行相关设置；在相关probe函数里面会将hub所有的port都上电，接着会读取port的状态看该port是否有连接usb设备，如果有连接usb设备，就对这个usb设备进行枚举。

　　读取root hub的厂商ID、设置root hub的设备地址，用厂商ID查找hub的设备驱动程序，调用驱动程序的probe函数：