2. USB协议体系

USB协议是一个分层的主从式通信协议，由物理层（包结构）、逻辑层（传输类型）和信息层（描述符）构成。理解这三层是开发USB Host驱动的基石。

2.1 USB包结构

USB总线上的所有通信都以包（Packet）为基本单位。包由多个字段组成，通过同步字段（SYNC）开始，以包结束（EOP）终止。根据PID（包标识符）的不同，USB包分为令牌包、数据包和握手包三大类。

2.1.1 包格式与字段

2.1.2 三种包类型

• 令牌包（Token Packet）： 由Host发出，用于启动一次传输。包含SETUP、IN、OUT、SOF等PID。
• 数据包（Data Packet）： 承载实际数据，分为DATA0和DATA1两种PID，用于数据切换同步。
• 握手包（Handshake Packet）： 用于确认传输状态，包括ACK、NAK、STALL、NYET（高速）等。

2.2 USB传输类型

USB协议定义了四种传输类型，分别对应不同的应用场景。Host驱动需要根据设备端点描述符中的bmAttributes字段选择正确的传输类型。

2.2.1 控制传输

控制传输是USB协议中最复杂的传输类型，由建立阶段、数据阶段（可选）和状态阶段组成。每个控制传输对应一个控制请求（Setup Packet），其格式如下：

struct usb_ctrlrequest {
    __u8  bRequestType;  // 方向(bit7)、类型(bit5-6)、接收者(bit0-4)
    __u8  bRequest;      // 请求码（如GET_DESCRIPTOR、SET_ADDRESS）
    __le16 wValue;       // 请求参数（如描述符类型和索引）
    __le16 wIndex;       // 接口或端点号
    __le16 wLength;      // 数据阶段长度
} __attribute__ ((packed));

2.2.2 批量传输

批量传输用于传输大量数据，利用USB总线空闲带宽。批量传输使用DATA0/DATA1交替机制保证数据完整性。在高速模式下，批量传输的最大包大小为512字节。

2.2.3 中断传输

中断传输并非真正的中断，而是Host以固定间隔轮询设备。轮询间隔在端点描述符的bInterval字段中指定。对于全速设备，间隔为1~255ms；高速设备间隔为2^(bInterval-1)×125μs。

2.2.4 等时传输

等时传输用于实时数据流，不保证数据正确性（无重试机制）。等时传输使用DATA0 PID，不进行数据切换。在高速模式下，等时传输的最大包大小为1024字节。

2.3 USB描述符

USB描述符是设备向Host报告自身能力和配置的数据结构。Host通过控制传输读取描述符，完成设备枚举。描述符采用层级结构：设备描述符 → 配置描述符 → 接口描述符 → 端点描述符。

2.3.1 描述符层级结构

1. 设备描述符（Device Descriptor）： 描述设备的通用信息，如USB版本、厂商ID、产品ID、设备类等。每个设备只有一个设备描述符。
2. 配置描述符（Configuration Descriptor）： 描述设备的供电模式、最大电流、接口数量等。一个设备可以有多个配置，但同一时刻只能激活一个。
3. 接口描述符（Interface Descriptor）： 描述一个功能单元，包含端点数量、接口类/子类/协议等。一个配置可以有多个接口。
4. 端点描述符（Endpoint Descriptor）： 描述一个端点的地址、方向、传输类型、最大包大小等。接口0的端点0是默认控制端点，没有端点描述符。

2.3.2 关键描述符字段

2.3.3 描述符在Linux内核中的表示

Linux内核USB子系统定义了与USB规范对应的数据结构，位于include/uapi/linux/usb/ch9.h：

/* 设备描述符 */
struct usb_device_descriptor {
    __u8  bLength;            // 描述符长度（18字节）
    __u8  bDescriptorType;    // 描述符类型（0x01）
    __le16 bcdUSB;            // USB规范版本号（BCD码）
    __u8  bDeviceClass;       // 设备类
    __u8  bDeviceSubClass;    // 设备子类
    __u8  bDeviceProtocol;    // 设备协议
    __u8  bMaxPacketSize0;    // 端点0最大包大小
    __le16 idVendor;          // 厂商ID
    __le16 idProduct;         // 产品ID
    __le16 bcdDevice;         // 设备版本号
    __u8  iManufacturer;      // 厂商字符串描述符索引
    __u8  iProduct;           // 产品字符串描述符索引
    __u8  iSerialNumber;      // 序列号字符串描述符索引
    __u8  bNumConfigurations; // 配置描述符数量
} __attribute__ ((packed));

/* 端点描述符 */
struct usb_endpoint_descriptor {
    __u8  bLength;            // 描述符长度（7字节）
    __u8  bDescriptorType;    // 描述符类型（0x05）
    __u8  bEndpointAddress;   // 端点地址（bit7:方向, bit3-0:端点号）
    __u8  bmAttributes;       // 传输类型（bit1-0: 0=控制,1=等时,2=批量,3=中断）
    __le16 wMaxPacketSize;    // 最大包大小
    __u8  bInterval;          // 轮询间隔
} __attribute__ ((packed));

2.4 本章小结

• USB包结构是总线通信的最小单元，分为令牌包、数据包和握手包三种。
• 四种传输类型（控制、批量、中断、等时）对应不同的应用场景，驱动需根据端点属性选择。
• USB描述符采用层级结构（设备→配置→接口→端点），Host通过枚举过程读取并解析。
• Linux内核在ch9.h中定义了与USB规范一致的数据结构，驱动开发时直接使用。