【USB协议深度剖析】：Bus Hound带你理解协议栈


参考资源链接：[BusHound：USB协议分析器的详细使用教程](https://wenku.csdn.net/doc/646a16c35928463033e32057?spm=1055.2635.3001.10343)
# 1. USB协议概述和历史发展

## 1.1 USB协议简介
USB（Universal Serial Bus）即通用串行总线，是一种广泛使用的计算机外设接口标准，设计之初是为了替代传统串口和并口，简化连接计算机的复杂性。USB通过四线制的扁平电缆，即两根电源线和两根数据线，支持热插拔，即插即用，广泛应用于各种硬件设备如键盘、鼠标、打印机和存储设备等。

## 1.2 USB协议的历史
USB协议自1996年由Intel、康柏、DEC、IBM、Microsoft、NEC等多家企业共同推出以来，经历了多个版本的更新。从最初的USB 1.0/1.1到现在的USB 3.x，其数据传输速度从最初的12 Mbps提升到了40 Gbps，展现了其在数据传输速率上的巨大进步和适应性。USB接口已成为连接外设的主流方式，深入到我们日常生活的方方面面。

# 2. USB协议核心概念解析

USB协议的核心概念是理解整个协议的基础。这一章节将深入探讨USB协议架构中的设备、主机和总线概念，数据传输模式详解，以及USB协议的数据传输和电源管理机制。

## 2.1 USB协议架构

### 2.1.1 设备、主机和总线的概念

USB设备、主机和总线是USB架构的基础组件。理解它们的功能和如何协同工作是深入USB技术的前提。

#### 设备
USB设备是连接到USB总线的硬件，可以是键盘、鼠标、存储设备、打印机等。每个USB设备都包含一个设备控制器，用于处理与主机控制器的通信。设备通过其设备描述符来识别自己，其中包括制造商信息、产品标识和版本信息等。

#### 主机
主机是指连接多个USB设备并管理USB总线通信的系统。它由主机控制器和软件驱动程序组成。主机控制器负责数据传输的物理和电气细节，而软件驱动程序管理设备的配置和通信协议。

#### 总线
USB总线是连接主机和设备的通信路径，它包括数据线、电源线和地线。总线有四种类型：高速（High Speed）、全速（Full Speed）、低速（Low Speed）和超高速（SuperSpeed）。

### 2.1.2 数据传输模式详解

USB协议定义了四种数据传输模式：控制传输、批量传输、中断传输和同步传输（ISO）。每种模式针对不同类型的设备和用途进行了优化。

#### 控制传输
控制传输用于传输设备请求和状态信息。它通常用于配置设备、获取设备状态和执行其他控制任务。

sequenceDiagram
    participant 主机
    participant 设备
    主机->>设备: 控制传输请求
    设备->>主机: 确认并处理请求
    主机->>设备: 完成状态确认

#### 批量传输
批量传输用于传输大量的数据，这些数据对时间的要求不是非常严格。常见的批量传输设备包括打印机和扫描仪。

#### 中断传输
中断传输用于传输少量数据，但对时间敏感。例如，键盘和鼠标的输入数据就是通过中断传输发送的。

#### 同步传输（ISO）
同步传输用于传输时间严格要求的数据，如视频和音频流。ISO传输提供等间隔的数据包传输时间。

## 2.2 USB协议的数据传输

### 2.2.1 数据包结构和类型

数据包是USB数据传输的基础单位。USB使用不同类型的包来控制传输的开始、结束和数据的传递。数据包包括同步字段、地址字段、端点字段、帧号、数据字段和循环冗余校验（CRC）字段。

### 2.2.2 各类传输事务的时序图

USB通信遵循严格的时序规则。这里通过mermaid流程图展示批量传输事务的时序：

gantt
    title 批量传输事务的时序
    dateFormat  YYYY-MM-DD
    section USB事务
   令牌包 :done,    des1, 2023-04-01,1d
    数据包 :active,  des2, after des1, 1d
    握手包 :         des3, after des2, 1d

### 2.2.3 传输速率和带宽管理

USB支持不同速率的传输，包括1.5 Mbps的低速、12 Mbps的全速、480 Mbps的高速和5 Gbps（USB 3.x）或10 Gbps（USB 4）的超高速传输。带宽管理确保数据传输的流畅进行，防止总线拥塞。

## 2.3 USB协议的电源管理

### 2.3.1 设备电源状态和要求

USB设备有多种电源状态，包括默认状态、睡眠状态和挂起状态。USB电源管理规范确保设备在不同状态下消耗最少的电量，提高能效。

### 2.3.2 智能电源管理机制

智能电源管理机制允许主机控制器根据设备的活动状态调整电源供应，例如，在没有活动时减少电源消耗。USB 3.0及更高版本的协议中，电源管理技术更为先进。

## 总结

在本章节中，我们对USB协议的核心概念进行了深入解析，涉及了USB协议架构、数据传输模式、数据包结构和电源管理等关键内容。理解这些基础概念对于开发者而言至关重要，它们为后续章节中关于USB协议栈实现、故障诊断和性能优化的探讨奠定了基础。通过这些详尽的分析，可以清楚地看到USB协议如何通过精心设计来满足多样化的设备需求，以及如何实现有效的数据传输和电源管理。

# 3. USB协议栈的实现

USB（通用串行总线）协议栈的实现是将USB协议的抽象规则转化为具体操作系统能够理解与操作的代码和数据结构。USB协议栈的实现通常涉及多个层次，包括硬件抽象层、USB核心层以及具体的设备和接口驱动层。本章节深入探讨USB协议栈的实现，重点分析其架构、通信机制、以及在异常和错误处理上的设计。

## 3.1 USB驱动层次结构

### 3.1.1 USB核心和主机控制器驱动

USB核心层是USB协议栈的核心部分，负责处理与USB标准相关的所有操作，包括设备的枚举、数据传输和配置管理。核心层提供了与主机控制器驱动（HCD）交互的接口，同时管理USB设备的生命周期，实现设备的插拔事件处理、数据包的封装与解析、以及端点的管理。

USB核心驱动与HCD之间的交互通常通过USB请求块（URB）来完成。URB是USB协议栈中用于描述USB请求的一种数据结构。下面展示了一个简化的URB结构代码块：

struct urb {
    struct list_head entry;
    void *buffer;          // 数据缓冲区指针
    int start_frame;       // 控制传输的起始帧
    int status;            // URB的状态
    unsigned int.transfer_flags; // 传输标志
    struct usb_device *dev;      // 目标USB设备
    int pipe;                 // URB使用的管道
    int number_of_packets;    // 数据包数量
    // ... 其他必要的成员
};

URB在USB核心和HCD间传递数据和控制信息，确保数据按照USB协议正确地传输和接收。每个URB负责一次USB事务，它在被创建后会被提交给USB核心层，然后由核心层分派给相应的HCD进行进一步处理。

### 3.1.2 设备驱动和接口驱动

USB设备驱动位于协议栈的最上层，是与具体USB设备进行直接交互的部分。它负责将USB核心层提交的请求转换为对特定USB设备的操作。设备驱动通常会实现设备特定的初始化、配置、数据传输以及设备的电源管理等功能。

接口驱动则位于设备驱动之下，管理着同一USB设备上不同的功能接口。通常一个USB设备会有多个功能接口，比如一个摄像头设备可能有视频流接口和控制接口。接口驱动负责管理这些接口，提供统一的编程接口（API）供上层应用调用。

### 3.1.3 USB驱动的加载与配置

USB驱动的加载和配置是操作系统初始化USB设备时的关键步骤。当USB设备插入计算机时，USB核心层会通过一系列的枚举过程来识别设备，并根据设备提供的描述符来加载相应的设备驱动或接口驱动。

以下是USB设备加载的基本步骤：

1. **设备识别**：系统通过默认的地址0枚举USB设备，读取设备的基本描述符。
2. **地址分配**：系统给设备分配一个唯一的地址，并使用该地址重新获取设备描述符。
3. **设备驱动加载**：核心层根据设备类、子类和协议的值来加载合适的驱动。
4. **配置与接口**：系统选择合适的配置，并且为每个功能接口加载接口驱动。
5. **激活**：设备被激活，并可进行数据传输。

## 3.2 USB协议栈的通信机制

### 3.2.1 USB请求块（URB）的处理

USB请求块（URB）是USB协议栈实现中不可或缺的部分，负责承载从应用层到硬件层的数据传输请求。URB处理机制包括URB的创建、提交、执行以及完成通知等关键步骤。下面通过一个简化的mermaid流程图来描述这一过程：

graph LR