USB驅動開發基礎

USB標準

  • USB1.0， 1996，低速1.5Mbps和高速12Mbps，USB1.1 iMac G3，Type A和Type B接口
  • USB 2.0 2000， 480Mpbs，Type A/B/C接口、Micro A/B
  • USB 3.0 5Gbps, 隨著USB 3.2命名規定，現在也叫USB 3.2 Gen1
  • USB 3.1 10Gpbs，現在稱為USB 3.2 Gen2
  • USB 3.2 USB 3.2 Gen2*2 10Gpbs
  • USB 4，基于雷電3協定，功率提升到240W， 40Gbps

USB接口類型TypeA/B/C

https://zhuanlan.zhihu.com/p/447595295

USB端點

端點可以看作是一個單向的管道，USB通訊的基本方式是通過端點完成的，端點有四種類型：

  • CONTROL控制：允許對USB設備的不同部分存取，常用來配置設備、獲取關于設備的信息、發送命令到設備、獲取設備的狀態報告
  • INTERRUPT中斷：創送少量的數據，固定傳輸速率，比如USB鍵盤和鼠標
  • BULK塊：傳送大量的數據，不能有數據丟失，比如打印機、存儲器和網絡設備上
  • ISOCHRONOUS同步：傳送大量數據、但是數據不保證完成，比如實時數據采集設備，如音頻或者視頻

USB接口

USB端點被綁在接口中，USB接口只處理一類USB邏輯連接，每個USB驅動控制一個接口

USB配置

USB接口被捆綁到配置上，一個USB設備可能有多個配置并在它們之間轉換

USB設備、端點、接口、配置關系

  • 設備通常有一個或者多個配置
  • 配置常常有一個或者多個接口
  • 接口常常有一個活動多個設置
  • 接口有零或者多個端點
    在這里插入圖片描述

URB

USB Request Block，一個URB用來發送或者接受數據

URB聲明周期

  • 被一個USB設備驅動創建
  • 安排一個特定的USB設備的特定端點
  • 被USB設備驅動提交給USB核心
  • 提交給被USB核心指定的USB主機控制器驅動
  • 被USB主機控制器處理，進行一次USB設備的傳送
  • URB完成時，USB主機控制器驅動通知USB設備驅動

USB驅動總統框架在這里插入圖片描述

從主機側看：
USB主機控制器：負責協調主機和設備的通信
USB主機控制器驅動：控制插入的USB設備
USB核心：USB驅動管理和協議處理的主要工作，定義一些數據結構、宏和功能函數，向上為設備驅動提供編程接口、向下為USB主機控制器驅動提供編程接口，維護整個系統USB設備信息，完成設備熱插拔控制，總線數據傳輸
USB設備驅動：控制USB設備如何與主機通信
從設備側看：

  • UDC驅動程序直接訪問硬件、控制USB設備和主機間的底層通信，向上提供與硬件相關操作的回調函數
  • Gadget Function API是UDC驅動程序回調函數的簡單包裝
  • Gadget Function驅動程序具體控制USB設備功能的實現，使設備表現出網絡連接、打印機或者USB Mass Storage等特性

USB主機控制器驅動

OHCI：非PC系統上以及帶有SiS和ALi芯片組的PC主板
UHCI：大多數其他主板上的USB芯片
EHCI：兼容OHCI和UHCI
xHCI：面向USB 3.0

USB的探測和斷開函數

探測函數：設備插入時初始化硬件資源
斷開函數：設備拔出時釋放硬件資源
在這里插入圖片描述

Gadget Function驅動

  • Ethernet over USB：驅動模擬以太網網口，例如CDC Ethernet、CDC Subset以及RNDIS
  • File-Backed Storage Gadget: 最常見的U盤功能實現
  • Serial Gadget： 串口，例如Generic Serial和CDC ACM規范實現
  • Gadget MIDI：暴露ALSA MIDI接口
  • USB Video Class Gadget驅動：讓Linux系統成為另外一個系統的USB視頻采集源
  • GadgetFS：Gadget文件系統

DMA

工作原理： DMA是一種數據傳輸方式，允許外部設備（如硬盤控制器、網絡接口等）直接訪問系統內存，而不需要CPU的直接干預。DMA控制器獲得系統總線的控制權，通過將數據直接從外部設備傳輸到內存或從內存傳輸到外部設備，從而避免了CPU的中斷和參與，提高了數據傳輸效率。
應用場景： 適用于需要大量數據傳輸或實時數據傳輸的場景，比如高速網絡數據包處理、高性能存儲設備等。DMA通常用于設備之間的數據傳輸，而不涉及CPU直接處理數據。

mmap

工作原理： mmap是一種內存映射技術，允許將文件或其他對象映射到進程的地址空間中。這樣，進程可以直接通過訪問內存來讀寫文件內容，而不需要通過傳統的文件I/O調用。mmap允許文件數據在內存中進行緩存和訪問，提高了文件訪問速度。
應用場景： 主要用于文件I/O，可以加速對文件的訪問。在許多情況下，將文件映射到內存中可以提高讀寫文件的效率，并允許以更直接的方式處理文件數據。

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