04-设备、配置、接口、端点
20.1.2 设备、配置、接口、端点
在USB设备的逻辑组织中，包含设备、配置、接口和端点4个层次。
每个USB设备都提供了不同级别的配置信息，可以包含一个或多个配置，不同的配置使设备表现出不同的功能组合（在探测/连接期间需从其中选定一个），配置由多个接口组成。
在USB协议中，接口由多个端点组成，代表一个基本的功能，是USB设备驱动程序控制的对象，一个功能复杂的USB设备可以具有多个接口。每个配置中可以有多个接口，而设备接口是端点的汇集（collection）。例如，USB扬声器可以包含一个音频接口以及对旋钮和按钮的接口。一个配置中的所有接口可以同时有效，并可被不同的驱动程序连接。每个接口可以有备用接口，以提供不同质量的服务参数。
端点是USB通信的最基本形式，每一个USB设备接口在主机看来就是一个端点的集合。主机只能通过端点与设备进行通信，以使用设备的功能。在USB系统中每一个端点都有惟一的地址，这是由设备地址和端点号给出的。每个端点都有一定的属性，其中包括传输方式、总线访问频率、带宽、端点号和数据包的最大容量等。一个USB端点只能在一个方向承载数据，或者从主机到设备（称为输出端点），或者从设备到主机（称为输入端点），因此端点可看作一个单向的管道。端点0通常为控制端点，用于设备初始化参数等。只要设备连接到USB上并且上电端点0就可以被访问。端点1、2等一般用作数据端点，存放主机与设备间往来的数据。
总体而言，USB设备非常复杂，由许多不同的逻辑单元组成，如图20.2所示，这些单元之间的关系如下：
● 设备通常有一个或多个配置；
● 配置通常有一个或多个接口；
● 接口通常有一个或多个设置；
● 接口有零或多个端点。
这种层次化配置信息在设备中通过一组标准的描述符来描述，如下所示。
● 设备描述符：关于设备的通用信息，如供应商ID、产品ID和修订ID，支持的设备类、子类和适用的协议以及默认端点的最大包大小等。在Linux内核中，USB设备用usb_device结构体来描述，USB设备描述符定义为usb_device_descriptor结构体，如代码清单20.1所示。
代码清单20.1 usb_device_descriptor结构体
1 struct usb_device_descriptor {
2 _ _u8 bLength; / 描述符长度 /
3 _ _u8 bDescriptorType; / 描述符类型编号 /
4
5 _ _le16 bcdUSB; / USB版本号 /
6 _ _u8 bDeviceClass; / USB分配的设备类code /
7 _ _u8 bDeviceSubClass;/ USB分配的子类code /
8 _ _u8 bDeviceProtocol; / USB分配的协议code /
9 _ _u8 bMaxPacketSize0; / endpoint0最大包大小 /
10 _ _le16 idVendor; / 厂商编号 /
11 _ _le16 idProduct; / 产品编号 /
12 _ _le16 bcdDevice; / 设备出厂编号 /
13 _ _u8 iManufacturer; / 描述厂商字符串的索引 /
14 _ _u8 iProduct; / 描述产品字符串的索引 /
15 _ _u8 iSerialNumber; / 描述设备序列号字符串的索引 /
16 _ _u8 bNumConfigurations; / 可能的配置数量 /
17 } _ attribute _ ((packed));
● 配置描述符：此配置中的接口数、支持的挂起和恢复能力以及功率要求。USB配置在内核中使用usb_host_config结构体描述，USB配置描述符定义为结构体usb_config_descriptor，如代码清单20.2所示。
代码清单20.2 usb_config_descriptor结构体
1 struct usb_config_descriptor {
3 _ _u8 bLength; / 描述符长度 /
4 _ _u8 bDescriptorType; / 描述符类型编号 /
5
6 _ _le16 wTotalLength; / 配置所返回的所有数据的大小 /
7 _ _u8 bNumInterfaces; / 配置所支持的接口数 /
8 _ _u8 bConfigurationValue; / Set_Configuration命令需要的参数值 /
9 _ _u8 iConfiguration; / 描述该配置的字符串的索引值 /
10 _ _u8 bmAttributes; / 供电模式的选择 /
11 _ _u8 bMaxPower; / 设备从总线提取的最大电流 /
12 } attribute _ ((packed));
● 接口描述符：接口类、子类和适用的协议，接口备用配置的数目和端点数目。USB接口在内核中使用usb_interface结构体描述，USB接口描述符定义为结构体usb_interface_descriptor，如代码清单20.3所示。
代码清单20.3 usb_interface_descriptor结构体
1 struct usb_interface_descriptor {
3 _ _u8 bLength; / 描述符长度 /
4 _ _u8 bDescriptorType; / 描述符类型 /
5
6 _ _u8 bInterfaceNumber; / 接口的编号 /
7 _ _u8 bAlternateSetting; / 备用的接口描述符编号 /
8 _ _u8 bNumEndpoints; / 该接口使用的端点数，不包括端点0 /
9 _ _u8 bInterfaceClass; / 接口类型 /
10 _ _u8 bInterfaceSubClass; / 接口子类型 /
11 _ _u8 bInterfaceProtocol; / 接口所遵循的协议 /
12 _ _u8 iInterface; / 描述该接口的字符串索引值 /
13 } _ attribute _ ((packed));
● 端点描述符：端点地址、方向和类型，支持的最大包大小，如果是中断类型的端点则还包括轮询频率。在Linux内核中，USB端点使用usb_host_endpoint结构体来描述，USB端点描述符定义为usb_endpoint_descriptor结构体，如代码清单20.4所示。
代码清单20.4 usb_endpoint_descriptor结构体
1 struct usb_endpoint_descriptor {
3 _ _u8 bLength; / 描述符长度 /
4 _ _u8 bDescriptorType; / 描述符类型 /
5 _ _u8 bEndpointAddress; / 端点地址：0～3位是端点号，第7位是方向(0-OUT,1-IN) /
6 _ _u8 bmAttributes; / 端点属性：bit[0:1] 的值为00表示控制，为01表示同步，为02表示批量，为03表示中断 /
7 _ _le16 wMaxPacketSize; / 本端点接收或发送的最大信息包的大小 /
8 _ _u8 bInterval; / 轮询数据传送端点的时间间隔 /
9 / 对于批量传送的端点以及控制传送的端点，此域忽略 /
10 / 对于同步传送的端点，此域必须为1 /
11 / 对于中断传送的端点，此域值的范围为1～255 /
12 _ _u8 bRefresh;
13 _ _u8 bSynchAddress;
14 } _ attribute _ ((packed));
● 字符串描述符：在其他描述符中会为某些字段提供字符串索引，它们可被用来检索描述性字符串，可以以多种语言形式提供。字符串描述符是可选的，有的设备有，有的设备没有，字符串描述符对应于usb_string_descriptor结构体，如代码清单20.5所示。
代码清单20.5 usb_string_descriptor结构体
1 struct usb_string_descriptor {
3 _ _u8 bLength; / 描述符长度 /
4 _ _u8 bDescriptorType; / 描述符类型 /
5
6 _ _le16 wData[1]; / 以UTF-16LE编码 /
7 } _ attribute _ ((packed));
例如，笔者在PC上插入一个SanDisk U盘后，通过lsusb命令得到这个U盘相关的描述符，从中可以显示这个U盘包含了一个设备描述符、一个配置描述符、一个接口描述符以及批量输入和批量输出两个端点描述符。呈现出来的信息内容直接对应于usb_device_descriptor、usbconfig descriptor、usb_interface_descriptor、usb_endpoint_descriptor、usb_string_descriptor结构体，如下所示：
Bus 001 Device 004: ID 0781:5151 SanDisk Corp.
Device Descriptor:
bLength 18
bDescriptorType 1
bcdUSB 2.00
bDeviceClass 0 Interface
bDeviceSubClass 0
bDeviceProtocol 0
bMaxPacketSize0 64
idVendor 0x0781 SanDisk Corp.
idProduct 0x5151
bcdDevice 0.10
iManufacturer 1 SanDisk Corporation
iProduct 2 Cruzer Micro
iSerial 3 20060877500A1BE1FDE1
bNumConfigurations 1
Configuration Descriptor:
bLength 9
bDescriptorType 2
wTotalLength 32
bNumInterfaces 1
bConfigurationValue 1
iConfiguration 0
bmAttributes 0x80
MaxPower 200mA
Interface Descriptor:
bLength 9
bDescriptorType 4
bInterfaceNumber 0
bAlternateSetting 0
bNumEndpoints 2
bInterfaceClass 8 Mass Storage
bInterfaceSubClass 6 SCSI
bInterfaceProtocol 80 Bulk (Zip)
iInterface 0
Endpoint Descriptor:
bLength 7
bDescriptorType 5
bEndpointAddress 0x81 EP 1 IN
bmAttributes 2
Transfer Type Bulk
Synch Type none
wMaxPacketSize 512
bInterval 0
Endpoint Descriptor:
bLength 7
bDescriptorType 5
bEndpointAddress 0x01 EP 1 OUT
bmAttributes 2
Transfer Type Bulk
Synch Type none
wMaxPacketSize 512
bInterval 1
Language IDs: (length=4)
0409 English(US)