版本:v0.7
摘要
本文主要介绍了USB Mass Storage的相关的各种协议之间的关系,以及如何在Linux的USB驱动框架下实现U盘驱动
2013-09-05
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修订 0.4 | 2011-07-01 | crl |
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修订 0.7 | 2013-09-05 | crl |
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关于U盘,估计大家都用过。
比如,笔者手上的宇瞻AH320的8G的U盘:
最常见的用法就是,直接将此8GU盘插到电脑的USB口上,然后系统(Windows的XP或者Linux)就会自动检测到你的U盘然后生成一个移动盘符,然后你就可以打开对应盘符,读写文件数据了。
而此文呢,目的就是,要搞懂,作为驱动开发者来说,对于这样一个U盘,如何在Linux平台下,去实现U盘驱动,即USB Mass Storage驱动,实现驱动时,需要做哪些事情,以及如何去实现这些事情。
关于USB,其实网上也有不少相关的文章,但是笔者觉得太多帖子,很多帖子,也只是介绍USB协议,而如何在Linux下面实现驱动,却很少提及。或者说是,理论多,实践少,东一块,西一块,很少能把相关知识有机的结合起来,尤其是软件,硬件,系统框架等结合起来一起说明的,导致看了很多这样的帖子,还是似懂非懂。
关于USB或者说多数计算机方面的技术文章,如果有说得明白的,往往都是老外写的。
所以,为了实现有中文的帖子,也能把问题说明白,所以才有此文的诞生。
所以,简述此文目的:
总的说来,本人写任何帖子,要么不写,要么就写的逻辑清晰,让人看得明白。
就像某人说的,看了我写的东西,能达到“醍醐灌顶”的效果,这才是我写东西的终极目标。
尽可能使得大家不需要有太多的基础,也能看懂此文。
即不需要对USB以及USB Mass Storage以及Linux有太多知识,然后看了此文,看了此文后,大概清楚这三者是什么,然后想要在Linux下面实现USB Mass Storage的驱动的话,自己需要做哪些事情,以及大概怎么做。
而如果想要实现真正的Linux下U盘驱动开发,那么最基本的一些知识,包括Linux是啥,USB大概是啥,之类的,那你至少多少有些了解,这也才能看懂后续内容。
摘要
了解计算机行业的技术,最好的资料,是官方的规范,其实就是一堆文档,多数是PDF格式的文件。
关于USB的基础知识,不像其他多数协议,只是和软件相关,USB协议,总的来说,应该是涉及非常多的规范和协议,涉及太多的软件,硬件,机械等方方面面。
之所以出现USB协议涉及内容太多太广,看起来太繁杂。
关于USB相关的基础知识,可以参考笔者的另一篇文章:USB基础知识概论
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摘要
【todo】待整理:Linux USB MASS Storage driver流程图
USB Mass Storage所对应的层次和要实现哪些东西:
PC电脑和U盘之间的关系,以及物理上的组成,可以用下图表示:
更深入的剖析,对于普通U盘的内部结构,则是一个USB物理接口,加上对应的控制芯片(微控制器(含Nand Flash的控制器)+ USB设备控制器)和一个Nand Flash芯片:
上述PC电脑和U盘的物理关系,以群联的PS2251-50 USB 2.0 Flash Controller为例,对应的逻辑关系为:
关于U盘容量,再多解释一句:
一般U盘的大小,就是对应着这个Nand Flash芯片的容量,比如2GB,4GB,8GB等。
当然,比如一个8GB的U盘,内部也可以用两块4GB的Nand Flash芯片来构成。
PC和U盘的之间的抽象的逻辑关系,可用下图来表示:
上图中,Storage Media,就是我们例子中的Nand Flash芯片。
而例子中的那个控制芯片,是Microcontroller with embedded USB device controller 和Media Controller的集合。
而上图中的USB MSC(Mass Storage Class) Device,从应用领域来说,可以分为以下几类:
而像上述例子中那样的常用的U盘,属于上图中的Flash Drive,即,物理上存储数据的介质用的是Flash Memory,比如例子中的Nand Flash芯片,对应的,Media Controller,也就是Nand Flash的Controller,负责从Nand Flash芯片中读写数据。
USB MSC设备中的固件(firmware)或者硬件(hardware),必须要实现下面这些功能:
另外,设备如果想要向存储介质中,创建/读取/写入,文件/文件夹的话,那么就涉及到文件系统,还要实现对应的文件系统。嵌入式系统中常见的文件系统有FAT16或FAT32。
除了本身USB的协议之外,Mass Storage作为其中USB的一种,USB Mass Storage自己又有相关的协议,对应的协议可以去官网下载:
http://www.usb.org/developers/devclass_docs/
中有关于Mass Storage相关的,一堆的协议:
说实话,咋一看,这么多协议,不知道驴年马月才能看完和真正理解。
不过,等待了解了这些协议的关系之后,会发现,其实需要特别关注和研究的协议,并不是很多,至少很多协议可以不用太关心。
凡事至少得对整体系统有个大致了解后,才能继续下一步的深入的开发。
所以,我们的目的,首先是要搞懂这么多协议之间都是啥关系,以及具体写U盘驱动的话,要看哪些协议。
从上面那一堆协议的名词上,我们就能看到,第一个:
Mass Storage Class Specification Overview 1.4
就是对于这么多协议的概述,其中介绍了各个协议的关系。
下面就把其中的主要内容摘出来,解释如下:
关于USB Mass Storage相关的一些协议,都是由一个叫做USB Mass Storage Class Working Group (CWG)的组织定义的,如上所述,包括下面一些协议:
对于这些协议,我们一个个的简单解释和分析一下:
我们所关注的U盘,就是所谓的MSC设备,大容量存储设备。
U盘的功能,就是数据存储。而对应的数据传输,用的是USB中的Bulk Transfer。而Control Transfer是用来发送Class-Specific的信息和Clear Stall。而其他方面的信息交换,是用Bulk-only协议。
而对于CBI,算是Bulk-only的替代品,也可以用来信息交换,但是只能用于,full-speed的软盘(Floppy drive),也不推荐将CBI用于其它新出的MSC设备上。
【总结】
USB MSC Control/Bulk/Interrupt (CBI) 主要用于Floppy设备,对于我们关心的U盘,用不到,不需要太关心,可以忽略之。
如上所述,Bulk-only是USB设备端,此处的U盘和USB Host端,即普通PC,之间信息交换的协议。
Bulk Only Transport,也被简称为BOT。
USB MSC中的Bulk-Only 常被叫做BBB,是相对于前面所说的CBI来说的。
看起来,USB MSC的CBI,是Control/Bulk/Interrupt的简写,但是其具体含义是:
Control端点用于,除了传送标准的USB请求之外,还用于通过Class-specific的请求,将命令块(command block)传给设备;即Control端点传送命令块
Bulk In和Bulk Out端点用于在主机(Host)和设备(Device)之间数据的传输。即,Bulk用于传送数据
Interrupt端点用于(设备向主机)通知命令完成。即Interrupt用于传送状态信息
因此,上面的USB MSC的Control/Bulk/Interrupt,才被简称为CBI。
和CBI中的用三种不同的端点来传送三种类型的信息,而不同的是,Bulk-only传送这些全部的信息,都之用Bulk端点。
即用Bulk端点来传送命令块,数据,状态,因此,才类似于Control/Bulk/Interrupt被简称为CBI一样,而Bulk/Bulk/Bulk被简称为BBB。
【总结】
USB MSC传输协议分CBI和BOT,而BOT又称为BBB。
既然,对于USB MSC设备来说,USB设备和USB主机之间的通信,已经定义了一个CBI规范,那么为何还要再新定义一个Bulk-only(BBB)呢?
我的理解是,那是因为,最开始USB协议定义的时候,那时候市场上的Floppy Disk还是用的很多的。
所以针对Floppy设备特点,分别定义了多个端点来传输不同的信息,即Control端点传命令块,Bulk传数据,Interrupt传状态信息,
而后来计算机行业的发展了,Floppy类的设置很少用了,存储数据的话,多数开始用Flash Memory了,再加上通过合理规划,可以用同一种端点,即Bulk端点,传输上述三种信息,即命令块,数据,状态,
因此,只需要物理上实现一个Bulk端点,节省掉了其他两个端点:Control端点和Interrupt端点,达到了物理上实现起来方便和节省资源,而达到同样的信息传输的目的。
此部分理解,有待进一步考证。
【总结】
USB MSC Bulk-Only (BBB) 协议,是我们要重点关注的对象。因为我们的U盘和USB主机(PC端)直接信息交互,主要是用此协议。
UFI,即Universal Floppy Interface,因此看名字就知道,是关于软盘的。
此USB MSC UFI规范,定义了UFI命令集合(Command Set),设计出来此规范,就是用于软盘的。此UFI命令集合,是基于SCSI-2 和SFF-8070i命令集合的。
【总结】
看完上面的解释,就明白了,我们此处关心的是U盘,是USB Flash Memory类型的,不是Floppy Disk类型的,所以,此处也可以不关心,暂忽略之。
目前常见的电脑启动,很多都是从MSC大容量存储设备中启动的,比如硬盘。
因此,设计了这个规范,以使得操作系统可以从USB MSC设备上启动。关于此规范的具体内容,主要是定义了一些命令和相关的一些数据的定义。
即,如果你想要实现让操作系统从你的这个MSC设备启动,那么你就要实现对应的CDB(Command Descriptor Block,命令描述符块)或者Data数据。
【总结】
我们主要关心U盘如何和主机数据交互,暂不关心是否能否从此U盘启动,所以也可不太关心,暂忽略之。
【总结】
无须多解释,看名字就知道,是一个关于兼容性测试的规范,和我们此处所关心的U盘和主机的数据交互,关系不大,暂忽略之。
“Lockable Storage Devices Feature Specification”,简称为 LSD FS。
“Lockable”的意思是,可锁定,即锁定以防止其他人访问或者写入,即变成只读,甚至不允许其他人再访问。
说白了就是对USB存储设备的安全控制方面的规范。
而基于目前还没有一个标准的规范去定义,如何去控制那些对于USB存储设备的访问,所以此处才定义了一个这么个和访问控制相关的协议。
此协议可实现允许主机Host或者设备Device去锁定Lock或者解锁Unlock 对应的存储设备。
【总结】
和安全存储和权限控制相关的协议,我们此处也是暂不关心,可忽略之。
“Attached”顾名思义,是附在某个上面的,此处即附在SCSI协议的上面的,即SCSI协议的补充部分。
UASP规范,定义了关于如何在USB 2.0和USB 3.0中,UAS的传输标准是如何实现的,并且给出了一些范例和一些推荐的做法。
既然已经有了对应的SCSI协议,用于发送对应命令,实现对应功能。作为U盘等应用的话,直接实现对应的协议,符合对应的规范,不是也就可以实现对应功能了吗,为何还要另外再弄出一个SSCI的附属协议UASP?
那是因为,原先的BOT(Bulk Only Transport),虽然协议简单已实现,适合用于大容量存储设备中,但其就像一个单线程,不能同时并行执行多个传输。
即,对于BOT,每一个由Host发起数据传输(transaction),都必须等待设备完成,然后设备再返回对应的已完成状态信息,然后才能开始下一次数据传输。这样的话,对于整个数据传输过程的话,就造成了一个很大(大概有20%)的浪费(overhead)。
而对于USB 3.0来说,速度从USB 2.0的480Mb/s变成了 5.0Gb/s,而如果继续用BOT的话,那么相对来说CPU性能的利用率很低,USB传输速度也不太高,例如,有研究表明,2.4 GHz Core Duo™的CPU,利用率只要大概12%,CPU传输速度只有大约250MB/s,而USB 3.0的理论速度是5.0Gb/s=640MB/s,即还不到理论最大速度的一半。
因此,才有了这个UASP,对于SCSI协议进行了补充,以提高USB 2.0的USB总线利用率,和充分利用USB 3.0的全双工能力,可以使得传输速度达到大约400MB/s。此新的协议UASP的实现,也需要对应的新的Host端的软件,新的Device端的固件(Firmware)。
为了实现设备的向后兼容性,Device同时支持BOT和UAS。
而此UASP规范,定义了就是如何在USB 2.0和USB 3.0上实现对应的UAS协议。
当Host和Device都实现了此UAS协议的话,那么Host将通过Host端的SCSI Software Stack去访问Device,而USB的Interface也将从功能上看,变成Host Stack中的另外一个SCSI Host Adapter。Device需要实现SAM4的架构模型,这样Host也就可以查询(Queue)Device中的命令了,以及对应性能的提升。
【总结】
为了克服旧的BOT协议的总线利用率不高的缺点,所以定义了新的UAS协议,即UASP,来提升USB的传输效率,提升USB速度。
当然,我们此处为了实现U盘功能的话,当然希望性能越高越好了,所以,这个协议也是我们应该好好研究的。
为了说明清楚USB Mass Storage各个协议的关系,我们先给这些协议编个号:
①USB Mass Storage Class Control/Bulk/Interrupt (CBI) Transport
②USB Mass Storage Class Bulk-Only (BBB) Transport
③USB Mass Storage Class Universal Floppy Interface (UFI) Command Specification
④USB Mass Storage Class Bootability Specification
⑤USB Mass Storage Class Compliance Test Specification
⑥USB Lockable Storage Devices Feature Specification (LSD FS)
⑦USB Mass Storage Class USB Attached SCSI Protocol (UASP)
直接用图来表示USB MSC各个协议之间的关系,显得更加直观:
如上图,我们U盘实现的功能,主要就是数据的读写,而Device和Host之间的数据通信,主要有两种:
而对于BOT/BBB来说,对其提高USB总线利用率,提高了USB速度后,就是对应的UASP协议,故此处称UASP为BOT的增强版的协议。
协议方面说完了,再来看看USB Device这一端。
而USB的Device端,根据内部数据存储的介质类型不同,又分两种:
而SCSI协议,本身就是有的了,所以不是属于USB MSC协议范畴,即SCSI只是和USB MSC相关的协议。
同样的,对于USB Device本身,如果需要一些用到其他的特性,比如可启动性,兼容性,可锁定性等等,那么分别对应的规范是
④USB Mass Storage Class Bootability Specification
⑤USB Mass Storage Class Compliance Test Specification
⑥USB Lockable Storage Devices Feature Specification (LSD FS)
【总结】
至此,各个协议和规范之间的关系,就很容易理解了。上面这么多协议中,其中我们所要关心的,只有三个规范,如前面的图中,已经用星号标识出来了:
最需要关心的是BOT,即Host和Device间数据通讯的协议
★★★ ②USB Mass Storage Class Bulk-Only (BBB) Transport
其次,需要关心USB Device内部和数据存储介质之间通信的协议
★★ SCSI - Small Computer System Interface
最后,对于,如果要实现更好的性能,那么需要关心BOT的升级版
★⑦USB Mass Storage Class USB Attached SCSI Protocol (UASP)
对应的,了解USB的都知道,每个设备的描述符中,都有对应下面这几个域:
分别对应着USB的Class,Subclass,Protocol。
而对于我们此处的U盘:
Subclass,所支持的列表如下: