USB mass storage协议

这一节主要把在实现“linux模拟U盘功能”过程中的一些调试过程记录下来，并加以解析。

一、背景知识 
    1、USB Mass Storage类规范概述 
       USB 组织在universal Serial Bus Mass Storage Class Spaceification 1.1版本中定义了海量存储设备类（Mass Storage Class）的规范，这个类规范包括四个独立的子类规范，即： 
       1. USB Mass Storage Class Control/Bulk/Interrupt (CBI) Transport
       2.USB Mass Storage Class Bulk-Only Transport
       3.USB Mass Storage Class ATA Command Block 
       4.USB Mass Storage Class UFI Command Specification 
       前两个子规范定义了数据/命令/状态在USB 上的传输方法。Bulk- Only 传输规范仅仅使用Bulk 端点传送数据/命令/状态，CBI 传输规范则使用Control/Bulk/Interrupt 三种类型的端点进行数据/命令/状态传送。后两个子规范则定义了存储介质的操作命令。ATA 命令规范用于硬盘，UFI 命令规范是针对USB 移动存储。 
       Microsoft Windows 中提供对Mass Storage 协议的支持，因此USB 移动设备只需要遵循 Mass Storage 协议来组织数据和处理命令，即可实现与PC 机交换数据。而Flash 的存储单元组织形式采用FAT16 文件系统，这样，就可以直接在Windows的浏览器中通过可移动磁盘来交换数据了，Windows 负责对FAT16 文件系统的管理，USB 设备不需要干预FAT16 文件系统操作的具体细节。 
       USB（Host）唯一通过描述符了解设备的有关信息，根据这些信息，建立起通信，在这些描述符中，规定了设备所使用的协议、端点情况等。因此，正确地提供描述符，是USB 设备正常工作的先决条件。 
       Linux-2.6.26内核中在利用USB gadget驱动实现模拟U盘时，主要涉及到file_storage.c、s3c2410_udc.c等驱动文件（这些文件的具体结构，将在下一篇文章中描述）。此时我们想先从这些代码中找到USB描述描述符，从中确定使用的存储类规范，从而确定协议。确定通讯协议是我们调试的基础。 
       存储类规范是由接口描述符决定的。接口描述符各项的定义义如下：

其中，bInterfaceClass、bInterfaceSubClass、bInterfaceProtocol可以判断出设备是否是存储类，以及属于哪种存储子类和存储介质的操作命令。
       在file_storage.c文件中，

/* USB protocol value = the transport method */
       #define USB_PR_CBI     0x00         // Control/Bulk/Interrupt
       #define USB_PR_CB      0x01         // Control/Bulk w/o interrupt
       #define USB_PR_BULK   0x50           // Bulk-only

/* USB subclass value = the protocol encapsulation */
       #define USB_SC_RBC   0x01           // Reduced Block Commands (flash)
       #define USB_SC_8020  0x02           // SFF-8020i, MMC-2, ATAPI (CD-ROM)
       #define USB_SC_QIC   0x03           // QIC-157 (tape)
       #define USB_SC_UFI   0x04           // UFI (floppy)
       #define USB_SC_8070  0x05           // SFF-8070i (removable)
       #define USB_SC_SCSI  0x06           // Transparent SCSI

默认的情况是：
               mod_data = {                                    // Default values
                         .transport_parm                      = "BBB",
                         .protocol_parm                        = "SCSI",
                         ……

默认的赋值如下：
        bInterfaceClass=08 表示：存储类
        bInterfaceSubClass=0x06 表示：透明的SCSI指令
        bInterfaceProtocol=0x50 表示：bulk-only 传输

2、Bulk－Only 传输协议 
        下面看看Bulk－Only 传输协议：（详细的规范请阅读《Universal Serial BusMass Storage Class Bulk-Only Transport》） 
        设备插入到USB 后，USB 即对设备进行搜索，并要求设备提供相应的描述符。在USB Host 得到上述描述符后，即完成了设备的配置，识别出为Bulk－Only 的Mass Storage 设备， 然后即进入Bulk－Only 传输方式。在此方式下，USB 与设备间的所有数据均通过Bulk－In和Bulk－Out 来进行传输，不再通过控制端点传输任何数据。 
        在这种传输方式下，有三种类型的数据在USB 和设备之间传送，CBW、CSW 和普通数据。CBW（Command Block Wrapper，即命令块包）是从USB Host 发送到设备的命令， 命令格式遵从接口中的bInterfaceSubClass 所指定的命令块，这里为SCSI 传输命令集。USB设备需要将SCSI 命令从CBW 中提取出来，执行相应的命令，完成以后，向Host 发出反映当前命令执行状态的CSW（Command Status Wrapper），Host 根据CSW 来决定是否继续发送下一个CBW 或是数据。Host 要求USB 设备执行的命令可能为发送数据，则此时需要将特定数据传送出去，完毕后发出CSW，以使Host 进行下一步的操作。USB 设备所执行的操作可用下图描述：

CBW的格式如下：

dCBWSignature： CBW的标识，固定值：43425355h (little endian)。
dCBWTag：主机发送的一个命令块标识，设备需要原样作为dCSWTag（CSW中的一部分）再发送给Host：主要用于关联CSW到对应的CBW。 
dCBWDataTransferLength： 本次CBW命令要求在命令与回应之间传输的字节数。如果为0，则不传输数据。
bmCBWFlags：反映数据传输的方向，0 表示来自Host，1 表示发至Host； 
bCBWLUN：对于有多个LUN逻辑单元的设备，用来选择具体目标。如果没有多个LUN，则写0。
bCBWCBLength: 命令的长度，范围在0~16.

CBWCB: 传输的具体命令，符合bInterfaceSubClass.中定义的命令规范.

此处是SCSI CSW命令格式如下：

dCSWSignature：CSW的标识，固定值：53425355h (little endian)
dCSWTag：设置这个标识和CBW中的dCBWTag一致，参照上面关于dCBWTag的解释
dCSWDataResidue：还需要传送的数据，此数据根据dCBWDataTransferLength－本次已经传送的数据得到 
bCSWStatus：指示命令的执行状态。如果命令正确执行，bCSWStatus 返回0 即可。

3、SCSI指令集

Bulk-Only 的CBW 中的CBWCB 中的内容，即为如下格式的命令块描述符（Command Block Descriptor）。SCSI-2 有三种字长的命令，6 字节、10字节和12字节，Microsoft Windows 环境下支持12 字节长的命令。

Operation Code：操作代码，表示特定的命令。高3 位为Group Code，共有8 种组合，即8 个组，低5 五位为Command Code，可以有32 种命令。 
Logicol unit Number：为了兼容SCSI－1 而设的，此处可以不必关心。 
Logical block address：为高位在前，低位在后的逻辑块地址，即扇区地址。第2 位为高位，第3、4、5 依次为低位。 
Transfer length：为需要从逻辑块地址处开始传输的扇区数（比如在Write 命令中）。 
Parameter list length：为需要传输的数据长度（比如在Mode Sense 命令中）； 
Allocation length：为初始程序为返回数据所分配的最大字节数，此值可以为零，表示不需要传送数据。

　　SCSI指令集的Direct Accesss 类型存储介质的传输命令有许多， Mass Storage协议只用到了其中的一些。更多的SCSI指令参见：http://en.wikipedia.org/wiki/SCSI_command 
    指令代码      指令名称            说明
    04h          Format Unit      格式化存储单元
    12h          Inquiry          索取器件信息
    1Bh          Start/Stop        load/unload
    55h          Mode select     允许Host对外部设备设置参数。 
    5Ah          Mode  Sense      向host传输参数 
    Eh  Prevent/Allow Medium Removal    写保护
    >28h         Read（10）          Host读存储介质中的二进制数据
    A8h         Read（12）          同上，不过比较详细一点
    25h         Read Capacity       要求设备返回当前容量
    23h         Read Format Capacity   查询当前容量及可用空间  
    03h         Request  Sense        请求设备向主机返回执行结果，及状态数据 
    01h        Rexero Unit          返回零轨道
    2Bh         Seek（10）          为设备分配到特定地址
    1Dh         Send  Diagnostic      执行固件复位并执行诊断
    00h        Test Unit Ready       请求设备报告是否处于Ready状态 
    2Fh         Verify               在存储中验证数据
    2Ah         Write（10）          从主机向介质写二进制数据
    AAh         Write（12）          同上，不过比较详细    
    2Eh        Write and Verify      写二进制数据并验证

　　对于不同的命令，其命令块描述符略有不同，其要求的返回内容也有所不同，根据相 应的文档，可以对每种请求作出适当的回应。比如，下面是INQUIRY 请求的命令块描述符和其返回内容的数据格式：如：INQUIRY 命令描述符：

返回数据格式

        Host 会依次发出INQUIRY、Read Capacity、UFI Mode Sense 请求，如果上述请求的返回结果都正确，则Host 会发出READ 命令，读取文件系统0 簇0 扇区的MBR 数据，进入文件系统识别阶段。

4、利用USB View观察结果 
       可通过USB View软件查看到USB设置阶段获取到的信息。

　　二、出现的主要问题 
　　在调试过程中遇到了一个问题。现象是：在目标板加载完驱动后，即执行完：# insmod g_file_storage.ko file=/dev/mtdblock2 stall=0 removable=1后，接好USB线。此时在windows端设备出有usb storage设备加入，但出现不了盘符。
下面记录下调试过程。

三、调试过程 
      根据规范，当完成SCSI指令集中Inquiry 命令时，可以出现盘符。所以可以通过bushound软件查看通讯过程，找出原因。
      下面是利用bushound工具在出现问题时采集到的数据。
      Dev     Phase    Data                                                                   Info             Time       Cmd.Phase. Ofs

--- ----- --------------------------------- ---------- ----- -----------
      26      CTL      80 06 00 01 - 00 00 12 00                                          GET DESCRIPTR         0us           1.1.0 
      26      DI       12 01 10 01 - 00 00 00 10 - 25 05 a5 a4 - 12 03 01 02 ........%....... 4.8ms                           1.2.0 
                       03 01 ..                                                                                               1.2.16 
      26      CTL      80 06 00 02 - 00 00 09 00                                          GET DESCRIPTR         14us          2.1.0 
      26      DI       09 02 20 00 - 01 01 04 c0 - 01                                     .. ......             3.9ms         2.2.0 
      26      CTL      80 06 00 02 - 00 00 20 00                                          GET DESCRIPTR         16us          3.1.0 
      26      DI       09 02 20 00 - 01 01 04 c0 - 01 09 04 00 - 00 02 08 06   .. ............. 4.9ms           3.2.0
                       50 05 07 05 - 81 02 40 00 - 00 07 05 02 - 02 40 00 00 P.....@......@..                  3.2.16  
      26      CTL      80 06 00 03 - 00 00 02 00                                          GET DESCRIPTR         60us          4.1.0 
      26      DI       09 02 20 00 - 01 01 04 c0 - 01                                     .. ......             3.9ms         2.2.0 
      26      DI       04 03                                                                 ..                 3.9ms         3.1.0 
      26      CTL      80 06 00 03 - 00 00 04 00                                          GET DESCRIPTR         15us          5.1.0 
      26      DI       04 03 09 04                                                             ....             3.9ms         6.1.0
      26     CTL      80 06 03 03 - 09 04 02 00                                          GET DESCRIPTR        10us            1.2.16 
      26      DI       1a 03                                                                   ....            4.0ms           6.2.0 
      26     CTL      80 06 03 03 - 09 04 1a 00                                           GET DESCRIPTR        18us            7.1.0 
      26      DI      1a 03 33 00 - 37 00 32 00 - 30 00 34 00 - 31 00 37 00 ..3.7.2.0.4.1.7. 4.9ms             7.2.0 
                      35 00 36 00 - 37 00 37 00 - 35 00                                   5.6.7.7.5. 7.2.16 
      26     CTL      00 09 01 00 - 00 00 00 00                                           SET CONFIG         16us              8.1.0 
      26     CTL      01 0b 00 00 - 00 00 00 00                                           SET INTERFACE      60ms              9.1.0 
      26     CTL      a1 fe 00 00 - 00 00 01 00                                           CLASS               62ms              10.1.0 
      26     DI             00 .                                                                              3.9ms           10.2.0 
      26     DO        55 53 42 43 - 08 60 e0 86 - 24 00 00 00 - 80 00 06 12 USBC.`..$....... 985us           11.1.0 
                      00 00 00 24 - 00 00 00 00 - 00 00 00 00 - 00 00 00       ...$...........                11.1.16 
      26      DI      00 80 02 02 - 1f 00 00 00 - 4c 69 6e 75 - 78 20 20 20      ........Linux 1.0ms             12.1.0 
                      46 69 6c 65 - 2d 53 74 6f - 72 20 47 61 - 64 67 65 74           File-Stor Gadget        12.1.16 
                      30 33 31 32                                                       0312                  12.1.32 
      26     CTL      80 06 00 02 - 00 00 20 00                                        GET DESCRIPTR           893ms           13.1.0 
      26     DI       09 02 20 00 - 01 01 04 c0 - 01 09 04 00 - 00 02 08 06 .. ............. 4.1ms           13.2.0 
                      50 05 07 05 - 81 02 40 00 - 00 07 05 02 - 02 40 00 00 P.....@......@..                13.2.16 
      26      CTL     80 06 00 02 - 00 00 20 00                                             GET DESCRIPTR         2.7sc        14.1.0 
      26      DI      09 02 20 00 - 01 01 04 c0 - 01 09 04 00 - 00 02 08 06 .. .............  4.4ms           14.2.0 
                      50 05 07 05 - 81 02 40 00 - 00 07 05 02 - 02 40 00 00 P.....@......@..                   14.2.16 
      26      USTS 05 00 00 c0                                                              no response       2.8sc             15.1.0

　　注意上面红色部分的代码，DO发出了55 53 42 43开始的CBW命令块，命令码是12，即Inquiry命令。要求目标返回Inquiry命令要求的数据，长度是0x24。接下来设备端通过DI返回了设备信息。按照规范，在返回完了数据后，设备端还应该通过DI向系统返回CSW的值。但实际的捕获内容并没有。所以导致不能正确出现盘符。
　　在file_storage.c中，发送数据时都会调用到start_transfer（）函数。在此函数中加入printk调试语句，观察现象。发现只要加入的调试语句，windows端就能够正常设别设备了。于是，可以猜测是因为需要在连续两次发送之间加上一些延时。在函数中加入udelay（800）后，windows系统可以正常发现设备了。具体的代码架构，将在下一遍文章中解析。
    下面是程序正常后，用bushound捕获到的数据。

红色部分，可以看出设备正确的按照规范在发送完数据后，返回CSW信息。

      四、总结做好USB gadget驱动、或者USB host驱动调试需要：
        ·掌握一定的知识基础
        包括：USB协议、具体的类设备规范、USB驱动程序架构、USB设备端控制器操作等。
        ·合理利用调试工具。
        包括：USB view 、bushound 、及一些硬件USB信号分析仪。