Linux USB 基础概念与协议简介

一月 12, 2025 更新: 二月 25, 2025 [网络与安全] #Linux #obsidian #协议与标准

Linux USB 基础概念与协议简介

引言

因需将搭载Linux系统的开发板作为USB从设备（虚拟串口）使用，故在利用Linux 内核中Gadget驱动设备之前，普及USB的基础概念显得十分必要。此外，USB设备驱动开发过程中，也因借助BUS Hound工具对USB设备进行抓包处理，分析USB设备的接收到的协议帧。

基础概念

USB是主从结构： a. 所有的USB传输，都是从USB主机这方发起； b. USB设备没有"主动"通知USB主机的能力。例子：USB鼠标滑动一下立刻产生数据，但是它没有能力通知PC机来读数据，只能被动地等得PC机来读。

USB四种传输类型： a. 控制传输：可靠，时间有保证，比如：USB设备的识别过程 b. 批量传输: 可靠, 时间没有保证, 比如：U盘 c. 中断传输：可靠，实时，比如：USB鼠标 d. 实时传输：不可靠，实时，比如：USB摄像头

USB传输的对象：端点(endpoint) a. 我们说"读U盘"、“写U盘”，可以细化为：把数据写到U盘的端点1，从U盘的端点2里读出数据 b. 除了端点0外，每一个端点只支持一个方向的数据传输； c. 端点0用于控制传输，既能输出也能输入； d. 每一个端点都有传输类型，传输方向; e. 端点是USB设备通信的基本单位，所有通信都是从端点发起的。

程序里说的输入(IN)、输出(OUT)， “都是” 基于USB主机的立场说的。 例子：比如鼠标的数据是从鼠标传到PC机, 对应的端点称为"输入端点"

按USB协议栈的层次划分： a. 一个Host可能有一个或者多个Device； b. 一个Device可能有一个或者多个Interface； c. 一个Interface可能有一个或者多个Endpoint。

主要USB 控制器标准： a. OHCI（Open Host Controller Interface） b. UHCI（Universal Host Controller Interface） c. EHCI（ Enhanced Host Controller Interface） d. xHCI（eXtensible Host Controller Interface）,xHCI 支持所有速度种类的 USB 设备，xHCI 出现的目的就是为了替换前面三个。

协议简介

USB驱动开发常见的五大结构体： ①、设备描述符用于描述 USB 设备的一般信息,USB 设备只有一个设备描述符。设备描述符里面记录了设备的 USB 版本号、设备类型、VID(厂商 ID)、PID(产品 ID) 、设备序列号等。

struct usb_device_descriptor {
  			__u8  bLength;						//  此设备描述符长度,18 个字节
  			__u8  bDescriptorType;				// 描述符类型,为 0X01
  			__u16 bcdUSB;						// USB 版本号,BCD 码
  			__u8  bDeviceClass;					// 设备类
  			__u8  bDeviceSubClass;				// 设备子类
  			__u8  bDeviceProtocol;				// 设备协议
  			__u8  bMaxPacketSize0;				// 端点 0 的最大包长度
  			__u16 idVendor;						// 厂商 ID
  			__u16 idProduct;					// 产品 ID
  			__u16 bcdDevice;					// 设备版本号
  			__u8  iManufacturer;				// 厂商信息字符串描述符索引值
  			__u8  iProduct;						// 产品信息字符串描述符索引值
  			__u8  iSerialNumber;				// 产品序列号字符串描述符索引值
  			__u8  bNumConfigurations;			// 可能的配置描述符数目
} __attribute__ ((packed));

②、设备描述符的 bNumConfigurations 域定义了一个 USB 设备的配置描述符数量,一个 USB设备至少有一个配置描述符。配置描述符描述了设备可提供的接口(Interface)数量、配置编号、供电信息等。

struct usb_config_descriptor {
  			__u8  bLength;						// 此配置描述符长度,9 个字节
  			__u8  bDescriptorType;				// 配置描述符类型,为 0X02

  			__le16 wTotalLength;				// 整个配置信息总长度(包括配置、接口、端点、设备类和厂家定义的描述符)
  			__u8  bNumInterfaces;				// 此配置所支持的接口数
  			__u8  bConfigurationValue;			// 该配置的值,一个设备支持多种配置,通过配置值来区分不同的配置。
  			__u8  iConfiguration;				// 描述此配置的字符串描述索引
  			__u8  bmAttributes;					// 该设备的属性:	D7:保留	D6:自给电源	D5:远程唤醒	D4:0:保留
  			__u8  bMaxPower;					// 此配置下所需的总线电流(单位 2mA)
} __attribute__ ((packed));

③、字符串描述符是可选的,字符串描述符用于描述一些方便人们阅读的信息,比如制造商、设备名称啥的。如果一个设备没有字符串描述符,那么其他描述符中和字符串有关的索引值都必须为 0。

struct usb_string_descriptor {
  			__u8  bLength;						// 此字符串描述符长度
  			__u8  bDescriptorType;				// 字符串描述符类型,为 0X03

  			__le16 wData[1];					/* UTF-16LE encoded */
} __attribute__ ((packed));

④、配置描述符中指定了该配置下的接口数量,配置可以提供一个或多个接口,接口描述符用于描述接口属性。接口描述符中一般记录接口编号、接口对应的端点数量、接口所述的类等。

struct usb_interface_descriptor {
			__u8  bLength;						// 此接口描述符长度,9 个字节
			__u8  bDescriptorType;				// 描述符类型,为 0X04

			__u8  bInterfaceNumber;				// 当前接口编号,从 0 开始
			__u8  bAlternateSetting;			// 当前接口备用编号
			__u8  bNumEndpoints;				// 当前接口的端点数量
			__u8  bInterfaceClass;				// 当前接口所属的类
			__u8  bInterfaceSubClass;			// 当前接口所属的子类
			__u8  bInterfaceProtocol;			// 当前接口所使用的协议
			__u8  iInterface;					// 当前接口字符串的索引值
} __attribute__ ((packed));

⑤、接口描述符定义了其端点数量,端点是设备与主机之间进行数据传输的逻辑接口,除了端点 0 是双向端口,其他的端口都是单向的。端点描述符描述了树传输类型、方向、数据包大小、端点号等信息。

struct usb_endpoint_descriptor {
			__u8  bLength;						// 此端点描述符长度,7 个字节
			__u8  bDescriptorType;				// 描述符类型,为 0X05

			__u8  bEndpointAddress;				// 端点地址和方向:		bit3:0:端点号		bit6:4:保留,为零。		bit7:方向,0 输出端点(主机到设备),1 输入端点(设备到主机)
			__u8  bmAttributes;					// 端点属性,bit1:0 表示传输类型:		00:控制传输		01:同步传输		10:批量传输		11:中断传输		其他位保留
			__le16 wMaxPacketSize;				// 端点能发送或接收的最大数据包长度
			__u8  bInterval;					// 端点数据传输中周期时间间隙值,此域对于批量传输和控制传输无效,同步传输的话此域必须为 1ms,中断传输此域可以设置 1ms~255ms。

			/* NOTE:  these two are _only_ in audio endpoints. */
			/* use USB_DT_ENDPOINT*_SIZE in bLength, not sizeof. */
			__u8  bRefresh;
			__u8  bSynchAddress;
} __attribute__ ((packed));

USB 枚举：当 USB 设备与 USB 主机连接以后主机就会对 USB 设备进行枚举，通过枚举来获取设备的描述符信息，主机得到这些信息以后就知道该加载什么样的驱动、如何进行通信等。USB 枚举过程如下： ①、第一回合，当 USB 主机检测到 USB 设备插入以后机会发出总线复位信号来复位设备。USB 设备复位完成以后地址为 0，主机向地址 0 的端点 0 发送数据，请求设备的描述符。设备得到请求以后就会按照主机的要求将设备描述符发送给主机，主机得到设备发送过来的设备描述符以后，如果确认无误就会向设备返回一个确认数据包(ACK)。 ②、第二回合，主机再次复位设备，进入地址设置阶段。 主机向地址 0 的端点 0 发送设置地址请求数据包，新的设备地址就包含在这个数据包中，因此没有数据过程。设备进入状态过程，等待主机请求状态返回，收到以后设备就会向主机发送一个 0 字节状态数据包，表明设备已经设置好地址了，主机收到这个 0 字节状态数据包以后会返回一个确认包(ACK)。设备收到主机发送的 ACK 包以后就会使用这个新的设备地址，至此设备就得到了一个唯一的地址。 ③、第三回合，主机向新的设备地址端点 0 发送请求设备描述符数据包，这一次主机要获取整个设备描述符，一共是18 个字节。 ④、和第③步类似，接下来依次获取配置描述符、配置集合、字符串描述符等等。

USB 抓包工具（BUS Hound）

一个便利的USB抓帧工具，能让我们在USB驱动开发过程中事半功倍。以下为BUS Hound 抓取数据帧的界面：

在这里插入图片描述

BUS Hound 抓帧工具的下载地址

BUS Hound 抓帧工具的使用方法