USBスタックを分解して組み立てます

OSIネットワーク接続モデルのユニバーサルシリアルバスへの投影図解。

3つの「素晴らしい」USBスタック層

ネットワーク上で最も頻繁に見られるUSBスタックの外観には満足できませんでした。





バスレベル、論理的、機能的...これらはもちろん素晴らしい抽象化ですが、ホスト用のドライバーまたはアプリケーションソフトウェアを作成しようとしている人にとってはより可能性が高いです。 マイクロコントローラーの側では、テンプレート化されたステートマシンが期待されます。通常、ノードには便利なコードが埋め込まれ、ジャンルのすべての法則によって最初にバグが発生します。 または、ホスト上のソフトウェアにバグがあります。 またはドライバー。 いずれにせよ、誰かがバギーになります。 MKライブラリも簡単に理解できません。 そして、アナライザーを備えたUSBバス上のトラフィックを見てみましょう。3つのすばらしいレベルを持つなじみのない言語のイベントはまったく適合しません。 頭の中のインフルエンザ熱からそんな不協和音があるのだろうか？



読者が似たような気持ちを持っているなら、USBスタックの過熱した脳のビジョンで、お気に入りの7レベルOSIモデルに基づいて、思いがけなく明らかになった代替案を提案します。 私は自分を5つのレベルに制限しました。







すべてのソフトウェアとライブラリがすでに作成されている、またはこのモデルに基づいて設計されるべきだとは言いたくありません。 エンジニアリング上の理由から、レベルのあるコードは非常に複雑です。 しかし、USBバスに精通し始め、デバイス交換プロトコルとドメイン用語を理解し、既製のサンプル、ライブラリに近づき、それらをよりよくナビゲートしたい人を支援したいと思います。 このモデルはMKにアップロードするためのものではなく、親愛なる友だちの素晴らしい頭脳にアップロードするためのものです。 そして、あなたの黄金の手はすべて自分でやるだろう、私は疑いがない:)



それでは、行き詰まりが見られたら修正しましょう。 これはドラフト版です。これが既にどこかに描かれている場合は、ご容赦ください。見つけられなかったため、自分でひねりました。 写真は逃げられないと思いますが、今のところ、この出版物を取り上げた理由を、由緒ある人々に説明します。





好むと好まざるとにかかわらず、マイクロコントローラの進化は明らかに止まりません。 いいえ、いいえ、それは出版物でちらつきます（ http://habrahabr.ru/post/208026/、http://habrahabr.ru/post/233391/ ）「重い周辺機器」-MKにマウントされたUSBバス実装、解析付きHIDなどを使用した例。 RaJaの作者に敬意を表します ：標準ライブラリSTSW-STM32121（UM0424）で引用され、何らかの形で文書化された8つの例から、彼は最も便利な（カスタムHID）を選択し、無料のEm ::ブロック環境に移植し、明確な言語で少し説明しました装飾、ブラボー！ それは私に多くの時間を節約しました。

図書館への行き方

著者がGitHubに親切に投稿したEm :: BlocksのRHIDDemoプロジェクトを受け取り、Keil（FTDIベースのCoLinkデバッガー、誰か、Em :: BlocksのCoocoxプラグインを教えてください）への移植を開始しました。 しかし、私は理解できませんでした：2011年の3.5.0がサイトに投稿された場​​合、作者はどこで2012リリースのSPL 3.6.1を取得しましたか？ USB FS 4.0.0ライブラリの一部として、Keilの完成したカスタムHIDプロジェクトにたどり着きました。 それは、ほうきの下のネズミのように、誰の目にも見えます。 いいでしょう しかし、ついにSTMicroelectronicsのリリースを吸って、USB FS STSW-STM32121（UM0424）ライブラリの説明を見つけ、開発者が私を夢中にさせようとする試みを阻止しました 。 2009サンプルのビンテージCMSIS 1.30を2011 SPL 3.5.0セットに入れ、USB-FS 4.0.0 2013リリースで新しい2012 SPL 3.6.1リリースを非表示にすることは普通です（2012年からCMSIS 3.0.1を同じ場所に置く）。彼らはCMSIS 3.30リリース2014の現在のバージョンも投稿したという事実にもかかわらず？ ところで、STM32F10XのSPL 3.6.xでは、バッファオーバーフロー信号に関するいくつかのUSARTバグが修正されました。 ありがとう、リリースノートが残っていますが...

HID vs SNMP

そのため、STM32F103C8T6を取り上げて、USB HIDのトピックについて少し説明することにしました。これは、USB HIDがあらゆる種類のセンサー、センサー、その他のPWM制御パワードライバーの概念にうまく収まるように抽象化します。 非常に単純化された形式でのみ、SNMPを思い出しました。HID記述子はSNMP MIBの役割を果たします。 デバイスがホストによって初期化されると、「Hello host！ 私はコーヒーメーカーです。 [スタート]ボタン、[クリーム]、[砂糖]ノブ、[コーヒー残渣]、[水残渣]、[砂糖残渣]、[クリーム残量]センサーがあります。 ドライバーを締め、ボタンを押し、コーヒーを飲みます。」 何にも似ていませんか？ SNMP会話の例：「こんにちは、100,000ドルのソフトウェアを備えた管理ステーション。 そして、私は20万ドルのスイッチシャーシであり、さらに1つ100,000ドルのモジュールが4つあります。 それぞれに不適切な速度の16個のポートがあり、ここにすべての機能をリストすることはできません。各項目について個別に確認してください。 そうそう、プロセッサの負荷はそのようなものであり、非常に多くのメモリがあります...」。 そして、同じ脈絡でさらに12ページあります。



HIDのアイデアが気に入りました。 しかし、LEDの点滅という学習タスクを超えて（実際のUNIX環境に進む！）Windowsを出てすぐに、 未完成のスロットをすべて調べ始め、何らかの無力なラマーのように感じました。 プロジェクトのデバッグ中に、私は本能的に何らかの種類のtcpdump（ usbdump（8）またはusbmonと呼ばれます）を取得しましたが、見慣れない言語のメッセージしか見ませんでした。



明らかになったのは、USBバスに関する十分な基礎知識がないことです。 OSIモデルとTCP / IPスタックの場合、サードパーティのIT担当者は必要に応じて脊髄のどこかで意識しているだけですが、USBでは状況が異なります。 理解できる：同じtcpdumpを介してトラフィックをスパイし、ソフトウェアでハードウェアを構成し（完全なプラグアンドプレイ）、ドライバーまたはファームウェアを更新（またはOSを再インストール）することで何かを修正することができます。 しかし、良いファームウェアを作るためだけに、あなたと私はここに集まったのですか？ ネットワーク上のUSBの説明のいくつかを読んだ後、ドキュメントが紛らわしいことがあることに驚いた。 私は、彼らが私たちを迷わせ、霧を手放し、芽の競争を取り除くことを特に望んでいるとさえ感じました。 私はこの状況に同意しません！

別の素晴らしいスキーム

ネットワークの広大さの中で、私は別のイラストに出会いました（BMP形式で、冗談ではありませんでした）：





最初は楽観的に見えます。 最後に、スタックは組み立てられていません。 ただし、フレームには不十分なマークが付けられています。垂直の破線でフレームを描画しますが、EOFは一時停止であり、データは実際には送信されません。 しかし、コンテキストを読み始めて、著者の真の意図を理解できなくなります（混乱させるため）。

USBバスホストコントローラーはフレームを作成します。

フレームは、NRZI方式を使用したシリアルビット送信によって送信されます。

そしてもう一つ：

各フレームは最も優先度の高い施設で構成され、その構成がホストドライバーを形成します。

各転送は1つ以上のトランザクションで構成されます。

各トランザクションはパケットで構成されます 。

各パケットは、パケット識別子、データ（存在する場合）、およびチェックサムで構成されます。

すべてが正しく描かれているように見えますが、質問を読むにつれて、それはますます多くなります。 バス上で送信される最小データ構造はフレームですか、それともパケットですか？ 一般に、上から下、またはその逆を見る必要がありますか？ そして、 NRZI方式を使用してエンコードされているものは何ですか？フレーム、パケット、またはバス上のビットストリーム全体だけですか？ トランザクションは、送信、転送、またはおそらく何の貴重な小包で構成されていますか？

なぜだけではないのか： ホストは、パケットをトランザクションにグループ化し、現在のバス帯域幅に基づいてタイムクリティカルなデータ（ビデオ、オーディオ）を優先するために、フレームと呼ばれるタイムスライスに従ってパケットを配信しますか？ はい、USBにはパケット転送のスケジューリングに関するニュアンスがありますが、まだ触れていません。

USBスタックの私のビジョン

ここで言及されているNutShellのUSBハブ （乾杯、 翻訳 ）およびUSB Made Simpleを良いドキュメントと見なします。 それらを使用して、USBスタックのバージョンを収集し、再度描画します。

身体レベル

物理レベルでは、導体の差動ペアの電気モードのセット（グランドと一緒に）を使用して、 ビットスタッフィングを使用したNRZIメソッドを使用してビットストリームをエンコードする状態を示します。ここでは、6つの連続した「1」（ 、0xffff）「0」が挿入されるため、レシーバーは1つの状態で長時間固定されません。 レシーバーは挿入された「0」を認識し、データがカウントされないため、これは周波数調整を改善するためのかなり一般的なエンコード手法です。 一対のワイヤとグランドを使用すると、少なくとも4つの静的状態を形成できます（J、K、SE0、SE1で表されます）。 USB 2.0では、SE1は使用されず、残りの3つがダイナミクス（クロックおよびトランジション）でさらに再生され、さらにいくつかの制御文字（パケット境界、リセット、接続/切断、省電力/出力）が送信されます。 適切なイラストは、 USB Made Simple、Part 3-Data Flowにあります。

つまり その結果、データは0と1の形式で送信され、さらに制御文字が追加されるため、このすべての電気力学的なキッチンから通常のデータパケットを準備できます。

（読者の要望に応じて補足）

バッチレベル

パケットレベルでは、アドレスレスパケットがホストとデバイス間で送信されます（半二重回線上のデバイスのペアは、アドレス指定なしで実行できます）。 パッケージは、レシーバクロック、バイトシーケンス、およびEOP文字を同期するSYNCトークンで構成されています。 パケットの長さは可変ですが、スタックの上位レベルでネゴシエートされます。 最初のバイトはパケット識別子（PID）と呼ばれ、ノイズ耐性のための単純な冗長フォーマットを持ち、次のレベルのマシン（パケットからトランザクションを組み立てる）に供給するのに適しています。 スタッフィング（1 PIDバイトより長い）のあるパケットには、チェックサム（パケットのタイプに応じて、短いCRC5または長いCRC16）が提供されます。 プロトコルアナライザーは、少なくともパケットを表示する必要があります。

取引レート

次のレベルでは、 トランザクションがパッケージから収集されます 。 トランザクションとは、（半二重モードで）ホストがエンドポイントと1つだけと交換する、厳密に連続した小さなパケットセット（フルスピードUSB 1、2、または3）です。 ホストのみがトランザクションを開くことが非常に重要です。これはUSBの特異性です（MKファームウェアでは問題が少ない）。 トランザクションレベルでは、ホストとデバイスエンドポイントの1つとの間のパイプについて話すことができますが、OSIモデルでは「データリンク」という用語を意図的に避けています。 プロトコルアナライザーは、少なくともトランザクションをデコードする必要があります。

ギアレベル

トランザクションの上に、転送レベルを配置します。 USBには、エンドポイントNo. 0による制御（制御転送）、割り込み転送、アイソクロナス転送、バルク転送の4つのタイプがあります。 最後の3つは、ストリームパイプのオプションです。これについても少し説明します。 このレベルには、適切なプロトコルアナライザーも表示されます。

アプリケーションレベル

いつものように、アプリケーションレベルのスタックを冠します。 ここでは、ホストによるデバイスのアドレスの設定、記述子言語でのデバイス自体の通知、構成を選択するホストコマンド（制御送信）、HIDデバイスとのデータ交換（例で割り込み送信が見つかった、制御を試したい）、プリンターへの印刷スキャン、USBドライブへのアクセス（大きなブロック）、ヘッドセットとWebカメラを介した通信（アイソクロナス）、その他の多くのすばらしいこと。

最後のタッチ

レベルを1秒間下げた後、ホストが定期的にバス上に同じフレーム開始（SOF）パケットをスローし、時間を等間隔に分割することを追加できますが、トランザクション自体は中断しません。 したがって、SOFパケットは独立したトランザクションと見なすことができます。 USBフレーム（フレーム）とリンク層のOSIモデルを混同しないでください。 オーディオCDのフレーム（フレーム）を思い出す方がいいでしょう。それはほんのわずかな時間です。ホストはSOFパケットでバスを「チック」し、接続されたデバイスがいわゆる データのストリームをリアルタイムで追跡する等時性伝送 。 まあ、またはこのように：トランザクショングループは、フレームと呼ばれる時間間隔でホストによって計画されます。 フレームはフルスピードで1ms、ハイスピードUSBで125mksですが、ハイスピードはより複雑な標準であるため、個別に学習することをお勧めします。

UPD：

読者は良い質問をしました：断片化はどうですか？ USB 2.0では、トランザクションレベル以下でフラグメンテーションの兆候は見つかりませんでした。 このためのトランザクションは完全に転送されます。 場合によっては、特にアイソクロナスモードを考慮して、転送をいくつかのトランザクションに分割することができます。 そして、これまでのところ、ホストがすべての計画を担当していることを繰り返します（MK側ではあまり考えないでください）。

USBトラフィックを見る

図の適切な選択は、前述のUSB Made Simple本の第5章にあります。www.usbmadesimple.co.uk / ums_5.htm



そのため、トランザクションは常にデバイス上の選択された1つのエンドポイントに関連してホストによって開始されます（番号0の特別なポイントに加えて、マウス、温度計、フラッシュドライブ、コーヒーメーカー、配管順序の呼び出しボタンなどの組み合わせキーボードなど、1つのデバイスに最大15個まで存在できます）ピザ）。

ホストがデバイスからデータを受信した場合、デバイスはトランザクション自体を開くことはできませんが、 適切な瞬間を待って参加することしかできません。 ホストはPID = IN（トークングループ）のパケットでデバイスへのトランザクションを開き、適切な時間にバスの自由を保証します。デバイスはトランザクションのタイプに応じてデータグループからパケットをスローし、ホストはハンドシェイクグループからの3番目のパケット（ACK、NAK、STALL、NYET ）、トランザクションは閉じられます。

デバイスにデータを送信するとき（PID = OUT、トークングループ）、ホストはトランザクションを開き、データ（データ）を含むパケットを送信し、モードに応じて、トランザクションの成功を確認するハンドシェイクパケットを受信できます。

トランザクションの終了時に、すべてが通常に戻り、デバイスは再びホストからの制御パケットを待ちます。

STM32 USB FSのUSB転送モードの例

オーディオとビデオのストリーム、マウスジェスチャ、および高速オシロスコープ信号と同時に1ペアのワイヤでディスクからのコピーを駆動できるように、さまざまなタイプのメッセージと送信があります。

上記のように、ホストとエンドポイント間の単純なストリームチャネル （ストリームパイプ）について説明しました。ここでは、充填されたパケット（データグループ）がUSBサブシステム自体に特別な情報や制御情報を伝えません。 通信の完全な自由、コントローラライブラリは、MKメモリからホストへ、またはその逆に、任意のサイズのバッファをダウンロードするためのプリミティブを提供する必要があります。 パケットの切断、転送、および「デフラグ」により、MKライブラリをホストドライバーとペアにできます。 STM32では、これらはUM0424で説明されているUSB_SIL_Write（）およびUSB_SIL_Read（）です。 それらは非常に論理的な抽象化レベルです。 ホスト側では、対応するドライバーの説明を参照してください（たとえば、FreeBSDではugen（4） ）。

ただし、USBなどの重い周辺機器を使用して、単純なストリーミングチャネル冒aspを整理することを検討します（不思議なことに、USARTは何を喜ばなかったのでしょうか？）。 しかし、状況はもちろんあらゆる種類のものです。

いずれにせよ、USBサブシステムが機能し、デバイスが決定されるためには、制御トランザクションの交換が必要です。

免責事項

STMicroelectronicsのFull Speed USBを使用するための同じUM0424ライブラリからさらに例を挙げますが、それらはネイティブデモボード用に設計されています。 Rajaの著者から例を挙げて、デモ支払いにプロジェクトを適応させることに精通してください。



ソフトウェアのすべては明確です：これらは産業用ではない例であり、バグがある可能性があり、一部のパーツ（大容量記憶装置の例のリンクテーブルなど）は特許によって保護されており、商用プロジェクトで使用する権利はありません。 しかし、それは何でもありません。その後、中国人は、市場でUSB製品を販売することに成功しました。



鉄については、私が理解しているように、石英から始めなければなりません。 12 MHzクオーツのチェリャビンスクPinBoard II（すべてのライブラリは8 MHz未満にシャープ化されています）、PLL乗算器を9から6に変更しました（説明とリンク ） USBバスディバイダーを1.5から1に変更することにより、MK速度を48 MHzに下げることもできます。 スペシャリストは内部MK HSIジェネレーターの使用を好みません 。周波数は加熱からわずかに離れる可能性があるため、USBの結果を予測することは困難です。 もちろん、周辺を忘れないでください。 大容量記憶装置の例にあるSPI / SDIOフラッシュメモリがない場合、/ dev / nullのアナログのみを実行できますが、それを完全にフォーマットします:-)

送信およびメッセージチャネルをテストする

USBについて考えると、 LCP 、 IPCP 、 CCP、およびその他のxcCPを備えた古き良きPPPプロトコルを思い出します。 特別な種類のメッセージのエンドポイントNo. 0とのホストの交換は、xCPとローカルで同等です。

制御送信により、デバイスは初期化され、アドレスを受信し、ホストに記述子言語でそれ自体を伝えます（そのため、目的のドライバーを見つけてアクティブにします）。 制御操作がないと、単純なストリーミングは「進行」しません。デバイスがフォームで応答しない場合、ホストはすぐにポートをシャットダウンします。プロトコルを監視する必要があります。

原則として、プロトコルは、割り込みモードと同様に、制御点0でのデータの交換を禁止しません。 同時に、考えてみてください。いわば、現場でMKファームウェアをどのように更新しますか？ プログラマを維持する準備はできましたか？ 別の解決策があります。

例： デバイスファームウェアのアップグレード

割り込み送信

この種の（ 割り込み転送 ）は、制御トランザクションと同様に、小さなトランザクションの交換を目的としています。 いいえ、デバイスはホストに割り込むことができず、ポーリングを待機しています。その頻度とパケットサイズは、デバイス記述子で事前に指定されています。 あらゆる種類のリモート、センサー、センサー、マウス、LED、その他のHIDコーヒーメーカーに最適です。 各ポイントの中断があるチャネルは単方向です。

例： カスタムHID 、 ジョイスティックマウス 、 仮想COMポート

アイソクロナス伝送

ギリシャ語でΧρόνοςは「時間」を意味します。 アイソクロナス転送は、リアルタイムでデータストリームを制御できるローカルハイテクです。 QoSを備えたUDPのように、保証された（必ずしも広いとは限らない）帯域幅と確認トランザクションがないことを特徴としています。 パッケージが壊れていますか？ これはクロノス神がMKを足に押し込んだ神です。 もう一度パケットを送ろうとしないでください。そうしないと、神が怒ってしまいます。 ただし、チェックサムはChronosから静かにチェックします。 アイソクロナス伝送は、リアルタイムのオーディオビデオおよび測定システム、およびその他のデュアルユース玩具に適しています 。 それらのいくつかは USARTまたはSPIを使用してAVRをARMに接続することにより、ある種のAVRを吊り下げる方がより興味深いです。 アイソクロナス操作はフレームシグナリングに関係します（ティックSOFパケットを思い出してください）。

例： USB音声スピーカー

大ブロック伝送

いいえ、セメントの袋は持ち運びません。 誰もがあらゆる種類のUSBドライブの動作モードを学んだと思います。 バルク転送送信は、常に破損したパケットの転送を伴うが、帯域幅の保証なしで、可能な限り高速でデータを送信することを目的としています（必要に応じて、QoSのないTCPのように）等時性送信に道を譲ります。 USBフラッシュドライブの内部デバイスについては既に説明しましたが、現在のプロトタイプをダウンロードして実行できます。 私は自分で試したことはありませんが、例の説明にあるSCSIコマンドの表は（実際はそうであったように）かなり象徴的です。 NANDメモリの摩耗制御アルゴリズムの兆候は見つかりませんでした:-)

注意：一部の地域では、特許保護STMが適用されます。

例： 大容量ストレージ

未解決のまま

私は別のUSBチュートリアルを作成することを目標としていませんが、私なしで十分なものがあり、電気部品、プロトコルの詳細、ハブとの連携、記述子言語とHID抽象化レベル、VID / PIDの一意性の問題、USB 3.0などUSBバスのその他の優れた機能は、私たちにとっても便利でもありません。 IT担当者は、特に、敵のデバイス（怖いことをする偽装HIDキーボードを備えたフラッシュドライブ）の概要を説明するダークサイドへの遠足をお勧めします。

参照資料

無料のEm :: Blocks環境およびLC-Tech製の低コストデモボードSTM32F103C8T6へのカスタムHIDサンプルの適応： habrahabr.ru/post/208026

UPSの戦い： habrahabr.ru/post/233391 UPSの別の戦い： habrahabr.ru/post/233391/#comment_7944489

ダークサイドへの遠足（AVRからのスパイデバイス）： habrahabr.ru/post/153571

WindowsおよびLinux用のWireshark USB分析手順： wiki.wireshark.org/CaptureSetup/USB

NutShellのUSBブック： www.beyondlogic.org/usbnutshell/usb1.shtml

NutShell翻訳のUSB： microsin.ru/content/view/1107/44

USB Made Simple Book（本当に簡略化された）： www.usbmadesimple.co.uk

STSW-STM32121、STMicroelectronics USBフルスピードデバイスライブラリおよび記載されているすべての例（UM0424） www.st.com/web/en/catalog/tools/PF258157



PS

ある程度のマイクロエレクトロニクスに特化したHabrirの出版物を読んで、私は2つの工学カーストを識別しました 。それらを条件付きで呼び出します： PromelektronshchikiとAishishniki 。 これは一種の工学的な陰陽であり、私たち一人一人に両方のシェアがあります。



工業技術者は、鉄に関する優れた知識とスキルを持ち、目を閉じて左手でラジオパーツを髪の厚さにはんだ付けします（そして、それが機能します）。 電子回路を見ると、ほとんどすべての電流を潜在的に感知し始めます。また、電源回路や（大型、高速、危険な）工業製品でも動作します。 MKプログラミングアプローチは適切です。適切なタイミングで適切なロジックレベルを適切なレッグに提供する必要があるだけで、どのような意味でもそれほど重要ではありません。 保守的なテクノロジー（適合しない-機能する）、MKの重い周辺機器は特に好まれません。 オブジェクト指向プログラミング、情報セキュリティ、数百万行のコードを含む巨大なプロジェクト、あらゆる種類の洗練されたグラフィカルインターフェイスについて議論するときは退屈します。パケット指向のUSBバスの代わりに、使い慣れたRS-232またはより過酷なRS-485（15mで最大10Mbit / s、1200mで最大100kBit / s、最大32デバイス）のいずれかによって強化されたUSARTストリーミングモードが推奨されます。



IT担当者は、オペレーティングシステム、ネットワークインフラストラクチャ、複雑な相互作用について理解し、エリートは情報セキュリティに精通しており、他の人のシステムに侵入するあらゆる種類の目に見えない方法に精通しています。同時に、猫をとても愛している人もいます（どうしてあなたは猫を愛せないのですか？私は本当に抱きしめず、繁殖しませんし、料理もしません:-)。多くの人は情報の自由を好み、企業や政府をscり、思想の力で自然の力を打ち負かします。病理学的に怠zyですが、彼らは新しい技術と高価なおもちゃ（できればソフトウェアレベルで、または極端な場合はジャンパーで解決する）でねじれたエンジニアリングパズルを崇拝します。はんだごてとの関係は慎重です。はんだごてが好きかどうかをIT専門家に尋ねないでください。彼が電子回路をはんだ付けするのが好きかどうか尋ねてください。



なんで？この世界をさまざまな方法で見るだけです...結局のところ、Linuxカーネルは、特定のプラットフォーム用のCモジュールおよびアセンブラーインサートから、同じ男によって構築され、ホリバーなしで実行されるように見えました。真に真剣なプロジェクトは、最新のMKと重い周辺機器を組み合わせたマルチコアシステムであると考えていますが、AVRなどの古典的なモデルとのリンクを除外することはできません。コードが長年にわたってテストされている場合、なぜそうではないのですか？