淺談 USB 通訊架構之定義（二）

之前『淺談 USB 通訊架構之定義（一）』已經提過 USB 大致上的概念和一些特性，以及如何從 Linux 上去嘗試驗證 USB Device 上的 Information，但還尚未談及 USB Device 是如何與 USB Host 做溝通。而且，初始化的過程也很重要，該過程會讓一個 USB Device 描述自己的『模式(Configuration)』和『介面(Interface)』以及更多配置上的關鍵訊息。雖然這些初始化過程和定義繁雜，但是拜 OS 優良的包裝所賜，一般驅動程式都可以假設已知或是透過簡單的 API 去取得這些資訊以進行開發，因為大多數初始化動作會自動由 OS Kernel 和 Firmware 所完成。

簡單的 USB Device 初始化流程
  1. 插上 USB 裝置
  2. Host 請裝置報告『裝置描述資訊(Device Descriptors)』（此過程又稱為 Enumeration）
    • 由 Device Descriptors 得知『模式的數量(bNumConfigurations)』
  3. Host 請裝置回報『模式的描述資訊(Configuration Descriptors)』
    • 由 Configuration Descriptors 得知『介面的數量(bNumInterfaces)』
  4. Host 請裝置回報『介面的描述資訊(Interface Descriptors)』
    • 由 Interface Descriptors 得知『端點的數量(bNumEndpoints)』
  5. Host 請裝置回報『端點的描述資訊(Endpoint Descriptors)』
    • 由 Endpoint Descriptors 得知『該端點的資料傳輸模式(bmAttributes)』等訊息
  6. 等待驅動程式進行後續處理
整個 USB Device 的描述結構可以圖表示：
當然，若不是 USB Device 設計者或是 USB Host Controller 晶片的 Firmware/Driver 開發人員，可以不用知道這麼多過程細節，因為無論是 Linux 還是其他作業系統，它們都會將這些最低階的過程包裝起來，等著驅動程式去使用，而 Linux Kernel 上負責此任務的就被稱為『USB core』。

註：因為古老的 DOS 在設計上沒有 USB 的支援，故沒有這種中間層的包裝，若要在上面開發 USB 驅動程式，除了 USB Device 驅動程式要撰寫之外，還要苦命的先開發 USB Host Controller(UHCI、OHCI、EHCI...)的驅動程式。


Endpoint(端點) 的用途和定義

USB Device 真正和 Host 間傳輸資料是透過『Endpoint』，等到 USB Device 初始化完，剩下的就是使用 Endpoint 與 USB Device 溝通，這也是 USB Device 驅動程式真正開始要發威的時候。

Endpoint 的傳輸形態分為四種：
  • Control

    通常用來控制 USB Device 所使用，只能用在 endpoint 0 上。各種 USB Device(包括了 USB Host Controller 上的 Root Hub) 上都有 endpoint 0 做傳送命令、取得硬體資訊等動作。在 USB 協定中，Control 一定會有足夠頻寬完成每次傳輸。

  • Bulk

    大量且安全的傳輸，通常會應用在不可失真且大資料量的通訊，如：隨身碟。USB 協定中，並不保證 Bulk 會有一定的頻寬，所以若是當下 USB bus 頻寬不夠，資料會被分批進行傳輸。

  • Isochronous

    大量且穩定持續但不保證安全的傳輸，也就是不會檢查資料是否完整通過，可應用串流影音等可容許資料失真的地方，如：麥克風。要注意的是，此種傳輸方式會搶走 Bulk 的頻寬。

  • Interrupt

    Host 的輪詢機制會對所有 USB Device 請求 Interrupt 傳輸，若此時 USB Device 有需要 Interrupt 傳輸，便可開始以固定的速率傳送少量資料，通常應用在鍵盤、滑鼠此種 HID 上。

USB Device 的描述資訊

前面提到，USB Device 的初始化是在不斷反覆取得裝置資訊中完成的，而無論是哪一個 Descriptors，都有一個固定的資料結構，基本型如下表：

偏移量(Offset)

欄位名稱(Field)

大小(Size)

值的類型(Value)

欄位說明(Description)

0

bLength

1

數值

整個描述表的大小（單位 Bytes）

1

bDescriptionType

1

常數

描述表類型

2

...

n

描述表內容，根據不同類型的表有不同定義


而其中描述表類型之常數定義為：
  • 0x01：Device Descriptor
  • 0x02：Configuration Descriptor
  • 0x03：String Descriptor
  • 0x04：Interface Descriptor
  • 0x05：Endpoint Descriptor
更多的資訊，也可以參考以下網站：
http://www.beyondlogic.org/usbnutshell/usb5.htm

註：以 Linux 為例，通常系統已經將大多數裝置資訊匯整在 sysfs 之下，或是有現成 API 可以取得資料結構，其實對於普通的驅動程式開發者來說，並不用太去瞭解最原始的描述定義，只要知道從何可以取得必要的資訊即可。

後記

基本觀念瞭解到這，其實大致上就足夠開始開發 USB Device 的驅動程式了，剩下的問題只是如何使用 URB(USB Request block) 去和 endpoint 做溝通和傳輸罷了。

留言

  1. 匿名2023年2月27日 下午1:01

    亲，是否 有后续的URB通讯文章呢？

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