GSUSB 设备协议栈

本文档描述 XRUSB 的 GSUSB（Linux gs_usb） 设备类实现：LibXR::USB::GsUsbClass<CanChNum>。

该设备类面向 Linux/SocketCAN 生态的 USB-to-CAN 使用方式，采用 Vendor Interface + Bulk IN/OUT 的传输模型，实现 gs_usb 协议常用控制面与数据面。

支持能力：

经典 CAN（Classic CAN）：最大 8 字节数据
CAN FD（可选）：最大 64 字节数据区，DLC 映射遵循 FD 表
TX echo：回送 echo_id，用于主机侧 TX buffer 跟踪
可选硬件时间戳：timestamp_us（4 字节）追加在 wire frame 末尾
多通道：通道数由模板参数 CanChNum 编译期固定

1. 类与构造方式

GsUsbClass<CanChNum> 中 CanChNum 为编译期固定的 CAN 通道数（1..255），通道号对外以 uint8_t 表示。构造时需提供 等于 CanChNum 数量的通道对象指针列表。

该类同时兼容 Classic CAN 与 FDCAN（启用 FD 能力），通过不同构造函数区分。

1.1 Classic CAN 构造

GsUsbClass(std::initializer_list<LibXR::CAN*> cans,
           Endpoint::EPNumber data_in_ep_num  = EP1,
           Endpoint::EPNumber data_out_ep_num = EP2,
           size_t rx_queue_size = 32,
           size_t echo_queue_size = 32,
           LibXR::GPIO* identify_gpio = nullptr,
           std::initializer_list<LibXR::GPIO*> termination_gpios = {},
           LibXR::Database* database = nullptr);

要点：

cans：Classic CAN 指针列表，数量必须等于 CanChNum
默认端点号为 EP1(IN)/EP2(OUT)：用于兼容部分旧版内核/驱动对端点布局的约束
Linux gs_usb 驱动通常会通过 VID:PID 白名单匹配设备，并要求匹配到 bInterfaceNumber == 0 的 USB interface（建议将该类放在配置中的第一个 interface）

1.2 FDCAN 构造（启用 FD）

GsUsbClass(std::initializer_list<LibXR::FDCAN*> fd_cans,
           Endpoint::EPNumber data_in_ep_num  = EP_AUTO,
           Endpoint::EPNumber data_out_ep_num = EP_AUTO,
           size_t rx_queue_size = 32,
           size_t echo_queue_size = 32,
           LibXR::GPIO* identify_gpio = nullptr,
           std::initializer_list<LibXR::GPIO*> termination_gpios = {},
           LibXR::Database* database = nullptr);

要点：

fd_cans：FDCAN 指针列表，数量必须等于 CanChNum
若驱动对端点号没有限制，可用 EP_AUTO 让端点自动分配
FD 能力是否真正可用，取决于设备端是否启用 FD 支持、以及主机侧是否通过控制面将对应通道置为 FD 模式

2. USB 接口与端点

2.1 接口描述符

GsUsbClass 暴露 1 个接口，不使用 IAD。接口的 class/subclass/protocol 固定为 0xFF/0xFF/0xFF（Vendor Specific），端点数为 2。

2.2 Bulk 端点

Bulk OUT：Host → Device（主机下发 CAN/FD 帧，同时携带 echo_id 用于 TX echo）
Bulk IN：Device → Host（设备上报 RX 帧/错误帧，以及 TX echo 回包）

端点最大传输长度由底层 Endpoint 实现决定；配置时以 UINT16_MAX 作为上限。

3. gs_usb wire format（数据面）

所有 Bulk 数据帧都以固定 12 字节头开头（小端）：

struct WireHeader {
  uint32_t echo_id;   // Echo ID
  uint32_t can_id;    // CAN ID (with flags)
  uint8_t  can_dlc;   // DLC
  uint8_t  channel;   // Channel index
  uint8_t  flags;     // GS_CAN_FLAG_*
  uint8_t  reserved;
}

约定：

设备上报 RX 帧时使用 ECHO_ID_RX = 0xFFFFFFFF
主机下发帧若 echo_id != 0xFFFFFFFF，设备会在发送路径中生成对应的 TX echo 事件回送给主机

负载与长度：

Classic CAN：payload 固定 8 字节
CAN FD：payload 固定 64 字节
可选时间戳：若该通道启用时间戳，则在 payload 后追加 4 字节 timestamp_us（微秒，低 32 位）

总长度：

Classic：12 + 8（或 12 + 8 + 4）
FD：12 + 64（或 12 + 64 + 4）

3.1 DLC 与 FD 映射

Classic：can_dlc 上限为 8（超过会被钳制为 8）
FD：can_dlc 按 FD DLC 映射表转换为长度 0..64

DLC	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15
LEN	0	1	2	3	4	5	6	7	8	12	16	20	24	32	48	64

4. 生命周期：BindEndpoints / UnbindEndpoints

4.1 BindEndpoints

初始化阶段主要完成：

分配/配置 Bulk IN/OUT 端点，生成并提交配置描述符（Interface + 2x Endpoint）
注册端点回调：
- OUT 完成：解析主机下发 wire frame
- IN 完成：尝试继续发送下一帧
复位运行态，并将 OUT 端点尽量保持在接收状态（避免 host 下发“断流”）
注册 CAN RX 回调（用于将接收帧/错误帧入队并触发发送）

4.2 UnbindEndpoints

解绑阶段主要完成：

关闭端点并归还到 EndpointPool
清理关键状态（包括 host_format 协商状态、通道开关位等）

5. Host → Device（Bulk OUT）

设备收到一帧 OUT 数据后，会：

解析 WireHeader 并校验 channel 合法且对应通道对象存在
根据 flags 判断 Classic/FD，并检查该通道是否已启用（例如：FD 需要设备与主机都启用）
将 wire frame 转换为 CAN/FDCAN pack，提交到对应通道发送队列
若 echo_id != 0xFFFFFFFF，生成一个 echo 事件入队，后续由 Bulk IN 回送给主机
重新挂起 OUT 接收（在队列容量允许时）

6. Device → Host（Bulk IN）

设备向主机发送的数据来源分为两类：

TX echo（优先级更高）：用于主机跟踪发送完成
RX 上报：通道接收的 Classic/FD 帧，以及错误帧（可选）

发送策略要点：

只有当 IN 端点处于空闲态时才会启动一次发送
出队顺序为：echo 优先，其后才是 RX 上报
IN 发送完成回调会触发下一次尝试发送，实现连续输出

7. 控制面：Vendor Request（gs_usb BREQ）

GsUsbClass 不实现标准 Class Request，所有控制面均通过 Vendor Request（gs_usb BREQ）完成。

7.1 读（Device → Host）

常见读请求包括（按通道或全局）：

bit timing 常量 / 扩展常量（FD 能力）
设备配置（通道数、版本等）
时间戳（us，低 32 位）
终端电阻状态、通道错误状态
USER_ID（来自 RAM 或 Database）

7.2 写（Host → Device）

常见写请求包括（按通道）：

HOST_FORMAT：主机格式协商
BITTIMING：仲裁相位 bit timing
DATA_BITTIMING：数据相位 bit timing（FD）
MODE：START/RESET 与模式标志（loopback/listen-only/one-shot 等）
错误帧上报开关、Identify GPIO、终端电阻开关、USER_ID 写入

7.3 HOST_FORMAT 约束

需要先通过 HOST_FORMAT 完成主机格式协商。未协商通过时，部分配置类请求（如 BITTIMING、MODE 等）会被拒绝，以强制主机先完成协商。

8. 错误帧与时间戳

8.1 错误帧（SocketCAN 语义）

Classic CAN 的错误包可转换为主机可识别的 SocketCAN 错误帧（CAN_ERR_FLAG 等）。是否上报受通道的错误帧开关控制。

8.2 时间戳

当通道启用时间戳且系统时间基准可用时，设备会在 wire frame 尾部追加 timestamp_us（4 字节，微秒，低 32 位）；否则为 0 或不追加（取决于通道开关）。

9. 使用示例

9.1 Classic CAN（2 通道）

using Dev = LibXR::USB::GsUsbClass<2>;

Dev gsusb({&can1, &can2},
          /*in_ep*/LibXR::USB::Endpoint::EPNumber::EP1,
          /*out_ep*/LibXR::USB::Endpoint::EPNumber::EP2,
          /*rx_queue*/64,
          /*echo_queue*/64,
          /*identify*/&led_gpio,
          /*termination*/{&term1_gpio, &term2_gpio},
          /*db*/&db);

// USB device class list: {{&gsusb}}
// usb_dev.Init();
// usb_dev.Start();

9.2 FDCAN（1 通道）

using Dev = LibXR::USB::GsUsbClass<1>;

Dev gsusb({&fdcan1},
          /*in_ep*/LibXR::USB::Endpoint::EPNumber::EP_AUTO,
          /*out_ep*/LibXR::USB::Endpoint::EPNumber::EP_AUTO);

主机侧（Linux）一般通过 gs_usb 驱动枚举为 SocketCAN 设备（如 can0），随后使用 ip link set can0 up type can bitrate ... 或 cansend/candump 等工具进行收发。

1. 类与构造方式​

1.1 Classic CAN 构造​

1.2 FDCAN 构造（启用 FD）​

2. USB 接口与端点​

2.1 接口描述符​

2.2 Bulk 端点​

3. gs_usb wire format（数据面）​

3.1 DLC 与 FD 映射​

4. 生命周期：BindEndpoints / UnbindEndpoints​

4.1 BindEndpoints​

4.2 UnbindEndpoints​

5. Host → Device（Bulk OUT）​

6. Device → Host（Bulk IN）​

7. 控制面：Vendor Request（gs_usb BREQ）​

7.1 读（Device → Host）​

7.2 写（Host → Device）​

7.3 HOST_FORMAT 约束​

8. 错误帧与时间戳​

8.1 错误帧（SocketCAN 语义）​

8.2 时间戳​

9. 使用示例​

9.1 Classic CAN（2 通道）​

9.2 FDCAN（1 通道）​