技術(shù)背景

我們的板子作為 USB Gadget 設(shè)備通過(guò) USB 線接入 USB 主機(jī)使用，我們的板子被主機(jī)識(shí)別為一個(gè) Compsite Device，這個(gè) Compsite Device 是由我們板子根據(jù) Host 口實(shí)際接的 USB 設(shè)備動(dòng)態(tài)創(chuàng)建的，所以它包含哪些功能，由接在 Host 口的設(shè)備決定。假設(shè)我們的板的 USB Host 口接了一個(gè)鍵盤(pán)和一個(gè)鼠標(biāo)，那個(gè)我們的板就會(huì)被主機(jī)識(shí)別為一個(gè)支持鍵盤(pán)和鼠標(biāo)功能的 Compsite Device。我們板上 Host 口接的設(shè)備的數(shù)據(jù)會(huì)被轉(zhuǎn)發(fā)給 USB 主機(jī)。

問(wèn)題描述

某個(gè)鼠標(biāo)接入我們板 USB Host 口后，我們板子使用此鼠標(biāo)創(chuàng)建的 USB Gadget 設(shè)備無(wú)法被 Windows 系統(tǒng)枚舉成功，異常現(xiàn)象為：

1. 一個(gè)聯(lián)想鼠標(biāo)，接入我們板，我們板作 USB Gadget 接入 WIN10 系統(tǒng)后，系統(tǒng)無(wú)法識(shí)別，無(wú)法完成 USB 枚舉過(guò)程
2. 這個(gè)聯(lián)想鼠標(biāo)直接接在 WIN10 系統(tǒng)上，是能正常識(shí)別和工作的
3. 這個(gè)聯(lián)想鼠標(biāo)接入 Ubuntu 系統(tǒng)，也是能正常識(shí)別和工作的

分析過(guò)程

從應(yīng)用層程序入手，排除 USB 設(shè)備描述符與 HID 報(bào)文描述符設(shè)置等應(yīng)用層問(wèn)題，對(duì)比分析 Linux 與 Windows 系統(tǒng) USB 枚舉過(guò)程差異，跟蹤 Linux 內(nèi)核代碼 configfs 驅(qū)動(dòng)部分。

原因解析

Linux 系統(tǒng)在 USB 設(shè)枚舉過(guò)程中獲取到設(shè)備的實(shí)際 HID 報(bào)文描述符長(zhǎng)度后，會(huì)使用此實(shí)際長(zhǎng)度作為期望的長(zhǎng)度，來(lái)獲取 HID 報(bào)文描述符。而 WIN10 會(huì)使用實(shí)際長(zhǎng)度另加上 64 作為期望長(zhǎng)度來(lái)獲取 HID 報(bào)文描述符。這是 Windows 系統(tǒng)和 Linux 系統(tǒng)的差異，這個(gè)差異會(huì)引起異常，而 WIN10 的這種處理機(jī)制也是符合 USB 規(guī)范的，所以此異常應(yīng)該是 Linux 內(nèi)核的一個(gè) BUG。

主機(jī)端在獲取 HID 報(bào)文描述符時(shí)如何判斷設(shè)備端已經(jīng)應(yīng)答完畢是這個(gè)問(wèn)題的關(guān)鍵。

控制傳輸中的最大包長(zhǎng)：高速設(shè)備最大包長(zhǎng)是 64 字節(jié)；低速設(shè)備是 8；全速設(shè)備可以是 8 或 16 或 32 或 64。最大包長(zhǎng)表示一個(gè)端點(diǎn)單次接收/發(fā)送數(shù)據(jù)的能力，實(shí)際上就是該端點(diǎn)對(duì)應(yīng)的緩沖區(qū)的大小。當(dāng)一次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量超過(guò)該端點(diǎn)的最大包長(zhǎng)時(shí)，需要將數(shù)據(jù)拆分成多個(gè)包傳輸，只有最后一個(gè)包可以小于最大包長(zhǎng)，除最后一個(gè)包外的其他包都應(yīng)等于最大包長(zhǎng)。所以在一次控制傳輸中，如果一個(gè)端點(diǎn)收到/發(fā)送了一個(gè)長(zhǎng)度小于最大包長(zhǎng)的包，則表示此次數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束。

在設(shè)備枚舉階段，傳輸類(lèi)型是控制傳輸，最大包長(zhǎng)由 MaxPacketSize 參數(shù)(對(duì)于 USB 2.0 設(shè)備此值是 64)指定。一次控制傳輸?shù)臄?shù)據(jù)會(huì)被切割成多個(gè)包，只有最后一個(gè)包的長(zhǎng)度可以小于最大包長(zhǎng)。當(dāng)主機(jī)接收到的數(shù)據(jù)量已經(jīng)等于期待數(shù)據(jù)長(zhǎng)度時(shí)，直接就可以判定應(yīng)答已經(jīng)結(jié)束了。當(dāng)主機(jī)接收的數(shù)據(jù)量小于期待數(shù)據(jù)長(zhǎng)度時(shí)，若接收到的最新的應(yīng)答數(shù)據(jù)包的長(zhǎng)度小于最大包長(zhǎng)，說(shuō)明這個(gè)包是這次傳輸?shù)淖詈笠粋€(gè)包，表示應(yīng)答已完畢；若最新收到的數(shù)據(jù)包等于最大包長(zhǎng)，主機(jī)是無(wú)法判斷這個(gè)包是不是本次傳輸?shù)淖詈笠粋€(gè)包的 ，USB 協(xié)議規(guī)定，針對(duì)這種情況，當(dāng)設(shè)備端應(yīng)答的數(shù)據(jù)量小于主機(jī)側(cè)期待的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，而應(yīng)答數(shù)據(jù)量又剛好能被最大包長(zhǎng)整除(即被切割成多個(gè)完整的包)，就需要額外再發(fā)送一個(gè) ZLP 包(Zero Length Packet)以指示本次傳輸完成。

異常的這個(gè)聯(lián)想鼠標(biāo)，它的 HID 報(bào)文描述符是 64 字節(jié)長(zhǎng)(剛好等于 MaxPacketSize 參數(shù))，當(dāng) WIN10 系統(tǒng)以期望長(zhǎng)度 128(64+64) 來(lái)獲取 HID 報(bào)文描述符時(shí)，內(nèi)核 Gadget 驅(qū)動(dòng)只回復(fù)了實(shí)際的 64 個(gè)字節(jié)(它沒(méi)有發(fā) ZLP 包)的 HID 報(bào)文描述符，此時(shí) Linux Gadget 認(rèn)為自己已經(jīng)應(yīng)答完畢，而 WIN10 收到的回復(fù)不足 128 字節(jié)但最后一個(gè)包又是整包，它認(rèn)為傳輸還沒(méi)完成一直在等新數(shù)據(jù)，直到超時(shí)，總線進(jìn)入異常狀態(tài)，WIN10 復(fù)位 USB 總線，設(shè)備側(cè)內(nèi)核 USB 驅(qū)動(dòng)模塊進(jìn)入錯(cuò)亂狀態(tài)。原因就是，Linux Gadget 驅(qū)動(dòng)在這種特殊情況下沒(méi)發(fā) ZLP 包。這就是問(wèn)題描述中現(xiàn)象 1 的原因。

為什么這個(gè)鼠標(biāo)接在 Ububtu 上又正常呢，因?yàn)?Ubuntu 期待的長(zhǎng)度就是 64，收到 64 字節(jié)的應(yīng)答，它就認(rèn)為應(yīng)答已經(jīng)完畢。

解決方法

知道了原因就好解決了。修復(fù)內(nèi)核 BUG，在 Gadget 的驅(qū)動(dòng)代碼里，判斷當(dāng)一次應(yīng)答的數(shù)據(jù)量小于主機(jī)期待的長(zhǎng)度且應(yīng)答數(shù)據(jù)量又能被最大包長(zhǎng)整除時(shí)，多發(fā)一個(gè) ZLP 包。問(wèn)題解決。