如何实现Linux下的U盘(USB Mass Storage)驱动

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如何实现Linux下的U盘(USB Mass Storage)驱动

毛毛虫的爹 2014-05-04 18:03:00 浏览1025
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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

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2012-08-09

修订历史
修订 0.4 2011-07-01 crl
  1. 介绍如何在Linux下实现U盘驱动
修订 0.6 2012-08-09 crl
  1. 通过Docbook发布

版权 © 2012 Crifan, http://crifan.com


缩略词

MSC (MSC)

Mass Storage Class

大容量存储类型

常说的大容量存储设备,就是此处的MSC设备,最常见的例子就是U盘

SAM4 (SAM4)

ISO/IEC 14776-414, SCSI Architecture Model-4 (SAM-4) (ANSI INCITS 447:2008)

SCSI架构的Mode-4

Spec (Spec)

Specification

规范

正文之前

1. 此文目的

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:

图 1. U盘

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:

  1. 首先,算为自己学习USB的过程,做个记录和总结,以备后查。
  2. 对于其他不懂Linux和USB的人,看了此文后,可以对Linux,USB等有个基本的认识。
  3. 对于了解Linux和USB的人,搞开发的人,尤其是Linux下USB驱动开发的人,看了此文后,真正能搞懂Linux下USB的Mass Storage的框架,和自己去实现对应的U盘驱动的时候,数据读写的前后流程,而其中,系统做了哪些事情,需要我们自己做哪些事情。

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。

2. 阅读此文所需要的前提知识

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。

3. 声明

此文不可能面面俱到,但是旨在把问题说清楚的目的,又会在具体内容方面,尽量做到面面俱到,因此,也会使得整个文章显得很臃肿,不过也因此方便了,不了解的人去看懂后续所要解释的内容。

提及一下,文中一些内容的表述,是中英文掺杂,主要是因为有些含义,用英文表述更加贴切,就懒得再去费时费力翻译为中文了。

版权所有,欢迎转载,但请注明作者:crifan。谢谢合作。

水平有限,难免有误,欢迎任何意见和建议:admin (At) crifan.com

第 1 章 USB基本知识

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

1.1. USB的硬件

1.2. USB相关的协议

1.3. USB相关的软件实现

第 2 章 USB Mass Storage大容量存储的基本知识

【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:

图 2.1. USB Mass Storage Framework

USB Mass Storage Framework

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:

图 2.2. PC和U盘

PC和U盘

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:

图 2.3. PC和U盘的芯片内部结构

PC和U盘的芯片内部结构

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:

图 2.4. PC和U盘的内部逻辑框图

PC和U盘的内部逻辑框图

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:

图 2.5. PC和USB MSC设备

PC和USB MSC设备

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:

图 2.6. USB MSC的分类

USB MSC的分类

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:

  1. 检测和响应通用的USB Request和USB总线上的事件。
  2. 检测和响应来自USB设备的关于信息或者动作的USB Mass Storage Request。
  3. 检测和响应,从USB Transfer中获得的SCSI Command。这些业界标准的命令,是用来获得状态信息,控制设备操作,向存储介质块中读取(read block)和写入(write block)数据的。

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。

2.1. USB Mass Storage相关的协议

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。

2.1.1. USB Mass Storage相关协议简介

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:

  • USB Mass Storage Class Control/Bulk/Interrupt (CBI) Transport
  • USB Mass Storage Class Bulk-Only (BBB) Transport
  • USB Mass Storage Class Universal Floppy Interface (UFI) Command Specification
  • USB Mass Storage Class Bootability Specification
  • USB Mass Storage Class Compliance Test Specification
  • USB Lockable Storage Devices Feature Specification (LSD FS)
  • USB Mass Storage Class USB Attached SCSI Protocol (UASP)

对于这些协议,我们一个个的简单解释和分析一下:

2.1.1.1. USB MSC Control/Bulk/Interrupt (CBI) Transport

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。

2.1.1.2. USB MSC Bulk-Only (BBB) Transport

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。

2.1.1.2.1. 为何USB MSC中Bulk-only Transport被叫做 BBB

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:

  1. Control

    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

  2. Bulk

    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

  3. Interrupt

    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。

2.1.1.2.2. 为何已经有了CBI,又再弄出个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。

2.1.1.3. USB MSC UFI Command Specification

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。

2.1.1.4. USB MSC Bootability Specification

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。

2.1.1.5. USB MSC Compliance Test Specification

【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。

2.1.1.6. USB Lockable Storage Devices Feature Specification

“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。

2.1.1.7. USB MSC USB Attached SCSI Protocol (UASP)

“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。

2.1.1.7.1. 已有SCSI协议,为何还要再弄一个UASP

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。

2.1.2. USB MSC的各个协议之间关系总结

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:

USB Mass Storage Class Control/Bulk/Interrupt (CBI) Transport

USB Mass Storage Class Bulk-Only (BBB) Transport

USB Mass Storage Class Universal Floppy Interface (UFI) Command Specification

USB Mass Storage Class Bootability Specification

USB Mass Storage Class Compliance Test Specification

USB Lockable Storage Devices Feature Specification (LSD FS)

USB 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:

图 2.7. USB Storage Class Protocol Relation

USB Storage Class Protocol Relation

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:

  1. CBI:主要用于Floppy设备,所以新的设备,都很少用此协议
  2. BOT:Bulk-Only Transport,也称BBB(Bulk/Bulk/Bulk),

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:

  1. 一种是Floppy设备,对应用的是UFI Command Set;
  2. 而另外一种,就是我们常见的Flash Memory,对应的是用SCSI Command Set。

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

USB Mass Storage Class Bootability Specification

USB Mass Storage Class Compliance Test Specification

USB 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:

  1. 最需要关心的是BOT,即Host和Device间数据通讯的协议

    USB Mass Storage Class Bulk-Only (BBB) Transport

  2. 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

  3. 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

    USB Mass Storage Class USB Attached SCSI Protocol (UASP)

2.1.3. U盘与USB中的Class,Subclass和Protocol的对应关系

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:

  • bInterfaceClass
  • bInterfaceSubClass
  • bInterfaceProtocol

分别对应着USB的Class,Subclass,Protocol。

而对于我们此处的U盘:

2.1.3.1. bInterfaceClass=0x08=Mass Storage

Class就是USB Mass Storage Class,

2.1.3.2. bInterfaceSubClass=0x06=SCSI Transparent

Subclass,所支持的列表如下:

图 2.8. SubClass Codes Mapped to Command Block Specifications

SubClass Codes Mapped to Command Block Specifications

2.1.3.3. bInterfaceProtocol=0x50=Bulk Only Transport

Protocol,所支持的列表如下:

图 2.9. Mass Storage Transport Protocol

Mass Storage Transport Protocol

从上面这些规范中所定义的支持的协议来看,加上颜色框的那几个,也就是我们前面所解释过的,需要我们关心和研究的协议,即SCSI,BBB和UAS。

2.2. USB Mass Storage相关的软件实现

第 3 章 实现U盘驱动的整个流程是什么样的

USB数据流向图:

图 3.1. USB数据流向图

USB数据流向图

第 4 章 Linux系统下,USB驱动的框架已经做了哪些事情

第 5 章 Linux下实现U盘驱动,自己需要做哪些事情以及如何做

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