USB复合设备及UVC Profile的描述符详解

2020-7-24|2026-2-19
Pavel Han
Pavel Han
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Jul 24, 2020
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2020-07-24-usb-uvc-descriptor
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USB
UVC
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在本文中简要的总结了USB Composite设备尤其是UVC Camera设备的USB描述符的结构。
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硬件
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USB Composite Device

所谓的USB composite device就是一个USB设备中包含有多项功能，每项功能的具体实现都包含一个或者多个相互独立的Interface，但是整个设备只有一个PID和VID。多个设备功能通过内部逻辑和接口组合的形式形成一个对外的设备。
USB Composite device可以分为两种情况：
  • 该设备中的每个单独的功能function的实现都只用到一个Interface
    • 就是所谓的Composite device without multi-interface functions，例如：HID Transfer + MSC、 HID Transfer + HID Keyboard和HID Mouse + HID Keyboard；
    • 在这种情况下需要设置这个USB设备的设备描述符bDeviceClass、bDeviceSubClass、bDeviceProtocol这三个参数为0x00、0x00、0x00；
    • 这个设备的配置描述符中通过bNumInterfaces参数指定内部有多少个接口；
    • 然后在每个接口的接口描述符中通过bInterfaceClass、bInterfaceSubclass、bInterfaceProtocol三个参数指定这个接口提供的USB function的类型usb class；
  • 该设备中的某项单独功能需要用到多个Interface的组合
    • 就是所谓的Composite device with multi-interface function，例如：VCOM + HID Transfer、VCOM + MSC、VCOM + HID Keyboard、Dual VCOM和Audio + HID Transfer。
    • 这种情况下需要使用IAD描述符把multi interface功能的多个接口组合在一起，此时就要设置这个USB设备的设备描述符bDeviceClass、bDeviceSubClass、bDeviceProtocol这三个参数为0xEF、0x02、0x01。
USB Composite Device和USB Compound Device的区别:
  • USB Composite Device是一个USB设备，只有一个PID和VID，但是这个设备里面包含了多个功能，在内部逻辑上通过多个接口Interface来分别实现这些功能；
  • USB Compound Device内部包含一个USB Hub和多个USB功能设备，这些设备通过内部Hub与外部的USB Host进行连接，每个USB设备都有自己的PID和VID，相当于每个设备都是一个独立的外设，因此一个USB Compound Device包含多组PID/VID；
  • 在USB2.0的规范中定义如下：
    • When multiple functions are combined with a hub in a single package, they are referred to as a compound device.
    • A device that has multiple interfaces controlled independently of each other is referred to as a composite device.

IAD描述符

USB的IAD描述符用于把一个USB设备中包含的多个interface合并为一个function提供出来。
  • 因此可以把IAD描述符看成是对多个interface的分组操作，把多个interface分成一组来对外提供一个完整的功能function。
对于IAD设备而言，在这个USB设备的设备描述符中需要按照以下规则设置bDeviceClass、bDeviceSubClass、bDeviceProtocol等参数，USB Host才能够正确的识别和解析这个IAD设备后续的配置描述符信息：
  • bDeviceClass：0xEF
  • bDeviceSubClass：0x02b
  • DeviceProtocol：0x01。
而这个IAD描述符所指定的Function功能即USB class则通过IAD描述符中的bFunctionClass、bFunctionSubClass、bFunctionProtocol这三个参数进行指定，例如如果这个IAD描述符定义的是一个USB Video class的function，需要按照如下参数设置IAD描述符的相关信息：
  • bFunctionClass： 0x0E
  • bFunctionSubClass： 0x03
  • bFunctionProtocol： 0x00
IAD描述符各个选项参数的定义：
notion image
  • bFirstInterface表示这个IAD描述符所使用的第一个Interface的编号
  • bInterfaceCount表示这个IAD描述符需要包含的interface数量
  • bFunctionClass、bFunctionSubClass和bFunctionProtocol定义的是这个描述符所实现的是USB哪个class的功能；
在USB规范中定义需要使用IAD描述符的USB device class主要有：
  • USB Video Class Specification（class code=0x0E）
  • USB Audio Class Specification（class code=0x01）
  • USB Bluetooth Class Specification（class code=0xE0）
注意：
  • IAD描述符中指定使用的多个Interface的编号必须要是连续的，即这个IAD下面的Interface Group的各个Interface的编号必须是连续的；
  • 一个Composite USB设备中可以包含由多个IAD描述符，只需要使用IAD描述符中的接口配置信息定义清楚这个IAD功能所占用的接口，并且每个IAD描述符必须位于它所包含的多个接口描述符之前；

UVC设备的接口与IAD描述符

所有的UVC设备都是多Interface设备，一个UVC设备最起码应该有两个Interface：VideoControl（VC）Interface和VideoStream(VS) Interface。 Spec明确要求一个具有可用的，具有实际UVC功能的设备要有一个VC Interface，一个或多个VS Interface。
  • VCInterface用于进行配置，操控，设置UVC设备进入不同的功能状态；
  • VSInterface则负责定义这个UVC设备所支持的各种视频流的格式以及视频数据流的传输；
  • 完整的UVC功能需依赖VS Interface和VC Interface的配合才能实现。
因为UVC设备是需要把两个接口（VS+VC）结合在一起来提供音视频传输与控制的服务，因此UVC的Spec还明确要求UVC设备必须要使用一个Interface Association Descriptor（IAD）来描述这个包含了VC和VS的Interfaces集合。
  • 在UVC的设备描述符中，也需要设置这个设备DeviceClass、Device Subclass以及Device Protocol为IAD设备；

Video Control Interface

Video Control Interface中包含的主要组件：
  • Input Terminal：描述这个设备的输入端，及其支持的功能；
  • Output Terminal：描述这个设备的输出端，及其支持的功能；
  • Camera Terminal：描述这个设备的相机功能，例如Focus、Zoom等功能；
  • Select Unit：实际上就是Mux复用组件；
  • Processing Unit：描述这个设备的图像处理功能，例如灰度、曝光、亮度控制的功能；
  • Extension Unit：描述这个设备支持的额外扩展性功能，可有可无；
一个Video Control Interface的例子：
notion image
因此实际上Video Control Interface就是把上面的多种类型的Terminal和Unit连接起来组成的一个提供音视频流处理的pipeline，最终通过Output Terminal对外提供音视频流数据。
USB Host对UVC camera发送的所有控制类型的命令都是通过这个interface来完成的。

Video Streaming Interface

Video Streaming Interface则专门负责用于传输UVC设备的Video数据到Host端。
一个UVC camera通常会支持多种不同的Format不同分辨率和帧率的图像传输格式，需要在Video Streaming Interface的接口描述中把支持的所有视频格式使用Video Streaming Frame Type描述符进行定义。
  • 不同编码格式、分辨率、帧率对于USB传输带宽的要求各不相同，目前能够支持的主要的编码格式是YUV、MJPEG和H.264；
  • 要能够支持高清高帧率图像的UVC传输，就只能使用MJPEG和H.264这类压缩数据格式；
每个Video Streaming Interface必须要包含一个ISO或者Bulk端点用于传输Video Streaming数据，以及一个可选的Bulk端点用于传输静态图片数据（在UVC Camera中已经实现了静态图片拍照的机制的前提下）。

一个USB接口UVC Camera+HID设备的例子

参考资料USB Interface Association Descriptor中提供了一个包含有UVC Camera和HID功能的USB设备的例子。
该设备具有两部分功能：
  • Video Class，即UVC功能
    • 该功能由一个IAD描述符定义，其中包含一个Video Control Interface（即Interface 0）和一个Video Streaming Interface（即Interface 1）；
    • USB Host端解析到这个IAD描述及其下面的VC和VS Interface描述符后，会加载video class driver进行处理。
  • HID功能
    • 该功能包含有一个实现HID功能的Interface（即Interface 2）；
    • USB Host解析该接口对应的描述符会后自动加载Host端的HID class driver来进行处理；
该设备的USB描述符结构：
设备描述符
  • 表示这是一个包含有IAD描述符的multi function composite USB device；
配置描述符
  • bNumInterfaces为其内部包含的USB接口数量，其中UVC功能通过IAD描述符包含有2个Interafce，HID包含一个Interface；
IAD描述符
  • bInterfaceCount表示这个IAD描述符需要包含的interface数量，这里是2个，也就是Video Control Interafce和Video Streaming Interface；
  • bFirstInterface表示这个IAD描述符所使用的第一个Interface的编号，这里是0，也就是说这个IAD用的两个Interface就是：Interface0和Interface1；
  • 后续的bFunctionClass、bFunctionSubClass和bFunctionProtocol定义了这是一个Video class的功能；
Video Control Interface描述符
  • *此后是Video Control Interface的内部描述信息（即这个VC Interface中包含的各个Terminal和Unit的组织情况）及这个接口的端点信息描述符；*
Video Streaming Interface描述符
此后是Video Streaming Interface的内部描述信息（即这个VS Interface中包含的各种Video Format的详细信息列表）及这个接口的端点信息描述符；
HID功能对应的Interface描述符
最后是HID功能接口的详细配置信息及其对应的端点描述符信息；

参考资料

硬件
Linux的磁盘加密技术LUKS变焦镜头的分类及变焦原理总结
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