嵌入式开发之usb 转 net --- 支持持USB 网络适配器方案

时间：2024-02-25 19:45:43

（1）、应用背景

（2）、usb 简介

（3）、网卡 接口

（4）、usb 转net

（5）、usb 网卡驱动实现

（6）、usb 直连通信

 

神奇的usb

 

----------author：midu

-----------------dateTime：20200612

----------------------qq：1327706646

 

（1）、应用背景

 许多项目在空间设计方面需要节省空间，可以考虑去掉网卡器件，预留usb 外接phy 转换芯片进行网络通信，或是直接usb 协议通信。

现在市面有很多基于usb 接口的链接器可以使用，比如外接usb wifi模块、usb 外接摄像头模组、usb 外接存储盘、外接USB 网络模块（厂家有某绿）等等，丰富了接口应用

 

（2）、usb 简介

2.1 什么事usb

直译就是通用串行总线。 

2.2 usb 协议版本

  • USB 1.0/1.1(low/full speed)，传输速率最大为12Mbps
  • USB 2.0(high speed)，传输速率最大480Mbps
  • USB 3.0(super speed)，传输速率最大5Gbps
协议版本向下兼容
2.3 usb 接口分类
  • Type A，即使我们电脑上的那种接口。
  • Type B，不太常见，比较方正的T型接口，有的嵌入式开发板会用。
  • Type C，现在开始流行起来了，最大的好处就是可以盲插，而不用区分正反。
  • Micro/mini，手机上比较常见。

不管哪种接口，用的线都是4根，只是形状不同而已。

2.4 usb 描述符
谈到USB描述符，不得不说USB最强悍的地方就在这里。一个口可以插很多的设备，可以插U盘、上网卡、音频设备、还有的是复合设备，一个设备插上后可以虚拟出多个设备出来，太强了。
主设备之所以能区分不同的从设备，靠的就是描述符。 于是USB协议里就规定了各种不同的USB描述符。让我们先看一下USB协议里四大描述符之间的关系

设备描述(device description)，配置描述符(configrue description)，接口描述符(interface description)，端点描述符(endpoint description)

2.5 usb 累class

class用来描述设备属于哪种设备，例如音频、键盘、U盘等。设备通过class来确认和加载相应的驱动。class分为device class 和interface class。具体的class值以及含义，参考define class。

  • class 包含
    1. class
    1. subclass
    1. protocol

组合在一起，用来指出设备具体功能。

2.6 usb 包packet

 包（Packet）是USB系统中信息传输的基本单元，所有数据都是经过打包后在总线上传输的。数据在 USB总线上的传输以包为单位，包只能在帧内传输。高速USB 总线的帧周期为125us，全速以及低速 USB 总线的帧周期为 1ms。帧的起始由一个特定的包（SOF 包）表示，帧尾为 EOF。EOF不是一个包，而是一种电平状态，EOF期间不允许有数据传输。 
       注意：虽然高速USB总线和全速/低速USB总线的帧周期不一样，但是SOF包中帧编号的增加速度是一样的，因为在高速USB系统中，SOF包中帧编号实际上取得是计数器的高11位，最低三位作为微帧编号没有使用，因此其帧编号的增加周期也为 1mS。

      • USB总线上的情形是怎样的？

      • 包是USB总线上数据传输的最小单位，不能被打断或干扰，否则会引发错误。若干个数据包组成一次事务传输，一次事务传输也不能打断，属于一次事务传输的几个包必须连续，不能跨帧完成。一次传输由一次到多次事务传输构成，可以跨帧完成。

 

        USB包由五部分组成，即同步字段（SYNC）、包标识符字段（PID）、数据字段、循环冗余校验字段（CRC）和包结尾字段（EOP），包的基本格式如下图：

 

 

（3）、网卡 接口

如果是转网络，可选usb转网络芯片模块，如文末附图物件；

若是直接usb通信，就无须网络转接头，直接用两头公头连接，usb协议通信

 

（4）、usb 转net

https://blog.csdn.net/qq_22182835/article/details/89457512

（5）、usb 网卡驱动实现

5.1 usb 驱动框架

a .主要驱动架构

 

 

b. 主机驱动架构

 

 

 

 

 

 

c. 设备端驱动架构

 

 

 

 

从上图可知，设备端驱动包含两部分：
    1) 底层设备控制器驱动
    2) 上层大容量存储类驱动

设备控制器驱动

 

 USB设备控制器驱动主要实现Gadget API定义的函数和中断服务函数，可按功能划分为：API函数实现模块和中断处理模块。
       API函数主要实现Gadget API定义的函数功能，如结构体usb_ep_ops和usb_gadget_ops中的函数、usb_gadget_register_driver函数。这些函数是供Gadget Driver调用。
       中断处理模块主要处理设备控制器产生的各种中断，包括端点中断、复位、挂起等中断。

5.2 usb 初始化过程

USB驱动作为一个系统，集成了众多的驱动模块，注册过程非常复杂。从USB系统的角度来说，USB主机驱动主要包含：

       1) USB核驱动

       2) 主机控制器驱动

       3) 集线器驱动

       驱动的加载执行流程如下图所示：

 

 

 a. USB Core的初始化

   USB驱动从USB子系统的初始化开始，USB子系统的初始化在文件driver/usb/core/usb.c

  1.  
    subsys_initcall(usb_init);
  2.  
    module_exit(usb_exit);

        subsys_initcall()是一个宏，可以理解为module_init()。由于此部分代码非常重要，开发者把它看作一个子系统，而不仅仅是一个模块。USB Core这个模块代表的不是某一个设备，而是所有USB设备赖以生存的模块。在Linux中，像这样一个类别的设备驱动被归结为一个子系统。subsys_initcall(usb_init)告诉我们，usb_init才是真正的初始化函数，而usb_exit将是整个USB子系统结束时的清理函数。

b. 主机控制器的初始化及驱动执行(以EHCI为例)

   module_init(otg_init); 模块注册
   static init __init otg_init(void);
   platform_driver_register(); 平台注册
   static int __init otg_probe(struct platform_device *pdev); 探测处理函数
   reg = platform_get_resource(pdev, IORESOURCE_MEM, 0); 获取寄存器信息
   data = platform_get_resource(pdev,IORESOURCE_MEM, 1); 获取内存信息
   irq = platform_get_irq(pdev,0); 获取中断号
   usb_create_hcd(&otg_hc_driver, &pdev->dev, pdev->dev.bus_id);
   分配和初始化HCD结构体。对设备数据空间进行分配，初始化计数器、总线、定时器、hcd结构体各成员值。
   ret = usb_add_hcd(hcd,irq,SA_INTERRUPT);
   完成HCD结构体的初始化和注册。申请buffer，注册总线、分配设备端内存空间，向中断向量表中申请中断，注册根集线器，对根集线器状态进行轮询。

c.注册集线器

       register_root_hub(hcd);
      在USB系统驱动加载的过程中，创建了集线器的线程(khubd)，并且一直查询相应的线程事务。HCD驱动中，将集线器作为一个设备添加到主机控制器驱动中，然后进行集线器端口的初始化。在USB主机看来，根集线器本身也是USB主机的设备。USB主机驱动加载完成之后，即开始注册根集线器，并且作为一个设备加载到主机驱动之中。
       USB主机和USB设备之间进行数据交互，USB设备本身并没有总线控制权，U盘被动地接收USB主机发送过来的信息并做出响应。USB主机控制器与根集线器构成了主机系统，然后外接其它的USB设备。
       为了更好地探测到根集线器的状态变化，USB主机控制器驱动增加了状态轮询函数，以一定的时间间隔轮询根集线器状态是否发生变化。一旦根集线器状态发生变化，主机控制器就会产生相应的响应。
       USB主机和USB设备之间的数据传输以URB(USB Request Block)的形式进行。

（6）、usb 直连通信

 

 

 

 

鸣谢：

https://wenku.baidu.com/view/54b8f334a200a6c30c22590102020740be1ecda8.html AX88772_USB转以太网PHY芯片原理设计

https://www.jianshu.com/p/3afc1eb5bd32 usb 协议

https://blog.csdn.net/myarrow/article/details/8279156 USB协议架构及驱动架构

https://blog.csdn.net/songze_lee/article/details/77658094 usb 协议简介

http://www.42xz.com/soft/3238.html#xzz  usbblyzer 下载地址

https://blog.csdn.net/ZCShouCSDN/article/details/81448023 USB 之三 常用抓包/协议分析工具（Bus Hound、USBlyzer、USBTrace、USB Monitor Pro等）

https://blog.csdn.net/g200407331/article/details/51682597 usb 通信协议深入理解

https://blog.csdn.net/u010142953/article/details/82627591 USB协议基本知识

http://bbs.ntpcb.com/read.php?tid-121943.html usb net pcb

https://www.lulian.cn/product/list-115-cn.html  绿联USB有线百兆网卡

https://www.asix.com.tw/cs/download.php?sub=driverdetail&PItemID=86  驱动代码，AX88772 驱动程序下载

https://blog.csdn.net/weixin_33834075/article/details/85933953 

https://blog.csdn.net/u010333084/article/details/102751186?utm_medium=distribute.pc_relevant.none-task-blog-BlogCommendFromMachineLearnPai2-1.nonecase&depth_1-utm_source=distribute.pc_relevant.none-task-blog-BlogCommendFromMachineLearnPai2-1.nonecase USB网卡 AX88772C 驱动交叉编译

https://www.asix.com.tw/FrootAttach/userguide/How_to_identify_Authentic_ASIX_USB-to-LAN_Products_v100.pdf usb 驱动详解

http://bbs.16rd.com/forum-38-1.html 1牛网