USB Mass Storage大容量存储的基本知识

参考：http://t.zoukankan.com/shangdawei-p-3133526.html 其他：D:\Github\Storage\udev\bulk_only

1、LBA(logical block address)

存储类设备可以看做一个个固定大小逻辑块，我们可以对其每一个逻辑块进行编号方便进行寻址定位。 第一个逻辑块的 LBA 为 0，最后一块逻辑块的 LBA 为 n­1，其中 n 为逻辑块的总数。一般而言，逻辑块又称之为扇区。逻辑块的大小一般为 512 字节。

2、数据传输方向

Host, 主机，一般指拥有主控的物理机器。Device，指普通的 USB 设备。数据的传输方向，以主机为主。即

• 数据从设备传输到主机，我们称之为 Data­in;
• 数据从主机传输到设备，我们称之为 Data­out;

3、Command Block Wrapper (CBW)

包含命令块的 USB 报文，固定长度为 31 字节，一些读写命令操作都封装成 CBW 发送给设备，结构如下：

4、Command Status Wrapper (CSW)

包含命令块的执行状态，固定长度 13 字节。可以用来表示上一个 CBW 中的命令是否被正常执行。

5、READ(10) 指令

LOGICAL BLOCK ADDRESS 表示起始扇区号，TRANSFER LENGTH 表示要连续读取的扇区数目。 整个 READ(10) 指令的意思是，从 LOGICAL BLOCK ADDRESS 扇区连续读取 TRANSFER LENGTH个扇区，从设备发送给主控。

6、READ CAPACITY (10) 指令

表示主控请求获取 USB 设备的容量信息，设备返回最后一个逻辑块的 LBA 和每个逻辑块的大小。

7、FAT（文件分配表）

FAT（文件分配表）是位于磁盘0扇区上的一个特殊的文件，它包含了磁盘上的文件的大小以及文件存放的簇的位置等信息。 FAT即File Allocation Table，文件分配表。

8、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。 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。

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。

9、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。

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。

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，都只用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。

USB MSC传输协议分CBI和BOT，而BOT又称为BBB。

10、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。

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。

11、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是作为USB3.0标准的一部分引入的，但如果使用兼容的硬件、固件和驱动程序，也可以与符合较慢 USB 2.0 标准的设备一起使用。 尽管 UAS 已添加到USB 3.0标准中，但如果硬件兼容，也可以在 USB 2.0 速度下使用。

https://www.leixue.com/ask/what-is-uasp https://www.usbzh.com/article/detail-818.html

BOT加速模式虽然可以有效的增加传输速度，不过还是没有在根本上解决无法多工处理的问题，所以USB-IF (USB Implementers Forum) 一个为开发USB 规格的企业共同成立的非营利性机构，为了让传输效能更好，制定了UASP（USB Attached SCSI Protocol）传输架构，让USB3.0 也能像SCSI 传输协定的方式传输资料，不需等待上一笔资料传输完成后再进行传输资料的动作，并改善了在CPU 的使用率、数据延迟及等待时间。

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。

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。

12、USB MSC的各个协议之间关系总结

全称USB Mass Storage Class。

• 最需要关心的是BOT，即Host和Device间数据通讯的协议 ★★★ ②USB Mass Storage Class Bulk-Only (BBB) Transport

• 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

• 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 ★⑦USB Mass Storage Class USB Attached SCSI Protocol (UASP)

13、U盘与USB中的Class，Subclass和Protocol的对应关系

bInterfaceClass=0x08=Mass Storage Class就是USB Mass Storage Class bInterfaceSubClass=0x06=SCSI Transparent Subclass bInterfaceProtocol=0x50=Bulk Only Transport Protocol

Mass Storage设备所使用的SCSI命令集 0x00 TestUnitReady 0x03 RequestSense 0x12 Inquiry 0x1A ModeSense6 0x1B StartStop 0x1E MediumRemoval 0x23 ReadFormatCapacity 0x25 ReadCapacity 0x28 Read(10) 0x2A Write(10) 0x2F Verify 0x5A ModeSense10

14、USB bulk streams

https://www.kernel.org/doc/html/latest/driver-api/usb/bulk-streams.html

USB 3.0 则增加了一种 Bulk Streams 传输模式，USB 2.0 的 Bulk 模式只支持 1 个数据流，而 Bulk Streams 传输模式则可以支持多个数据流，每个数据流被分配一个 Stream ID（SID），每个 SID 与一个主机缓冲区对应。

该协议是针对USB Attached SCSI Protocol Device Class而定的。 bulk streaming协议太复杂，而USB Attached SCSI Protocol相对于USB Mass Storage Device Class也复杂了很多。 造成的结果就是，类似USB-IF提出的USB 2.5 Wireless USB, USB Audio/Video Class一样，USB Attached SCSI Protocol是一个失败的协议，没有人陪你玩，没有市场，没有产品，或者说有几个试水的产品，赚不到钱之后，就默默地消失在历史的尘埃当中了！

复杂是一个方面 USB Attached SCSI Protocol是针对于机械硬盘应用而产生的，减少磁头在轨道间的移动次数。 另外，USB Attached SCSI Protocol是针对数量众多的分散在机械硬盘上不同轨道上的小文件而产生的。 目前，SSD已经渐渐地取代了HDD，所以，USB Attached SCSI Protocol的失败也是历史的必然了。

usbredir库：https://www.spice-space.org/usbredir.html 在系统中完全禁用掉uas：

vim  /etc/modprobe.d/blacklist.conf
blacklist uas

为这些设备直接指定使用更基础的 usb-storage 模块作为驱动，同时禁用掉uas 
vim /etc/modprobe.d/disable-uas.conf
options usb-storage quirks=05e3:0610:u,05e3:0626:u,152d:0578:u,1d6b:0001:u,1d6b:0002:u,1d6b:0003:u
sudo update-initramfs -u
sudo reboot

其他机器：
vim /boot/cmdline.txt
usb-storage quirks=05e3:0610:u,05e3:0626:u,152d:0578:u,152d:9561:u,1d6b:0001:u,1d6b:0002:u,1d6b:0003:u