USB untuk Pengembang Perangkat Lunak: Pengantar Menulis Driver USB di Ruang Pengguna

• Pengembangan driver USB sering dianggap sebagai pekerjaan tingkat kernel, tetapi pada praktiknya tingkat kesulitannya mirip dengan pemrograman soket dan dapat diimplementasikan juga di ruang pengguna
• Dengan libusb, semua hal mulai dari enumerasi perangkat, transfer kontrol, hingga kirim-terima data bisa dilakukan tanpa menulis kode kernel
• Komunikasi USB terdiri dari empat jenis transfer: Control, Bulk, Interrupt, Isochronous, serta arah IN/OUT, dan setiap endpoint bekerja sebagai jalur satu arah
• Dengan protokol Fastboot pada perangkat Android sebagai contoh, artikel ini mendemonstrasikan lewat kode proses pertukaran perintah dan respons melalui endpoint Bulk
• Bahkan di ruang pengguna, driver USB yang lengkap dapat diimplementasikan, dan semua protokol USB berbagi struktur dasar yang sama

---

Pengenalan

• Driver untuk perangkat USB sering terasa sulit karena ada anggapan bahwa kita harus menangani kode kernel, padahal kenyataannya kompleksitasnya setara dengan aplikasi yang menggunakan soket
• Pengembang yang tidak memiliki banyak pengalaman hardware pun dapat mempelajari cara menangani USB di ruang pengguna
• Memang ada banyak materi yang membahas detail kerja USB, tetapi bagi pemula materi seperti itu sering sulit diakses
• Menggunakan USB tidak memerlukan pengetahuan setingkat sistem embedded, dan bisa didekati seperti soket jaringan

Perangkat USB

• Sebagai contoh digunakan smartphone Android dalam mode bootloader
  • Mudah didapat, protokolnya sederhana, dan cocok untuk eksperimen karena OS tidak memiliki driver bawaan untuknya
• Cara masuk ke mode bootloader berbeda untuk tiap perangkat, tetapi umumnya bisa dilakukan dengan kombinasi tombol daya dan volume

Enumerasi perangkat secara manual

• Enumeration adalah proses saat host meminta informasi perangkat agar perangkat bisa mengidentifikasi dirinya, dan proses ini berjalan otomatis ketika perangkat dihubungkan
• Untuk perangkat standar, driver dimuat otomatis berdasarkan kelas USB, sedangkan perangkat khusus vendor menggunakan VID (Vendor ID) dan PID (Product ID)
• Di Linux, informasi perangkat dapat dilihat dengan perintah lsusb
  • Contoh: ID 18d1:4ee0 Google Inc. Nexus/Pixel Device (fastboot)
  • 18d1 adalah VID milik Google, dan 4ee0 adalah PID untuk bootloader Nexus/Pixel
• Dengan perintah lsusb -t, kita bisa memeriksa kelas dan status driver
  • Jika tampil Class=Vendor Specific Class, Driver=[none], berarti OS tidak memuat driver
• Di Windows, informasi yang sama bisa dilihat melalui Device Manager atau USB Device Tree Viewer

Enumerasi perangkat dengan libusb

• Dengan library libusb, kita dapat berkomunikasi dengan perangkat USB di ruang pengguna tanpa menulis kode kernel
• libusb_hotplug_register_callback() dapat digunakan untuk menyiapkan callback agar dijalankan saat perangkat dengan kombinasi VID:PID tertentu terhubung
• Setelah program berjalan, saat perangkat disambungkan akan muncul pesan "Device plugged in!"
• Di Linux ini bekerja secara bawaan, dan bila perlu driver kernel bisa dilepas dengan libusb_detach_kernel_driver()
• Di Windows dibutuhkan driver Winusb.sys, dan jika belum ada dapat diganti secara manual menggunakan alat Zadig

Berkomunikasi dengan perangkat

• Komunikasi pertama dengan perangkat USB dilakukan melalui endpoint Control (alamat 0x00)
• Dengan libusb_control_transfer(), kita dapat mengirim permintaan standar (GET_STATUS) untuk membaca status perangkat
  • Contoh respons: 01 00 → byte pertama berarti Self-Powered, byte kedua berarti tidak mendukung Remote Wakeup
• Setelah itu kita bisa mengambil deskriptor perangkat melalui permintaan GET_DESCRIPTOR
  • Data yang dikembalikan mencakup informasi perangkat seperti idVendor, idProduct, bDeviceClass, dan lainnya
• Dengan perintah lsusb -v, semua deskriptor (perangkat, konfigurasi, antarmuka, endpoint, dll.) dapat dilihat secara rinci
  • Contoh: antarmuka Android Fastboot memiliki endpoint Bulk IN (0x81) dan Bulk OUT (0x02)

Endpoint

• Endpoint adalah konsep yang mirip dengan port jaringan, yaitu jalur tempat perangkat mengirim dan menerima data
• Jenis dan arah setiap endpoint didefinisikan di dalam deskriptor

• Jenis transfer Control

  • Ada satu pada setiap perangkat dan alamatnya selalu 0x00
  • Digunakan untuk konfigurasi awal dan permintaan informasi perangkat
  • Tidak termasuk dalam antarmuka, melainkan merupakan bagian dari perangkat itu sendiri

• Jenis transfer Bulk

  • Digunakan untuk transfer data besar yang tidak real-time
  • Contoh: Mass Storage, CDC-ACM (serial), RNDIS (ethernet)
  • Bandwidth tinggi, tetapi prioritas rendah

• Jenis transfer Interrupt

  • Digunakan untuk transfer data kecil dengan latensi rendah
  • Dipakai pada keyboard, mouse, dan perangkat serupa untuk melakukan polling input tombol dengan cepat
  • Ini bukan interupsi hardware sungguhan; host yang meminta secara berkala

• Jenis transfer Isochronous

  • Digunakan untuk data besar yang sensitif terhadap waktu (streaming audio, video)
  • Jika terjadi jeda, penurunan kualitas akan langsung terlihat
  • Di libusb, jenis ini ditangani secara asinkron

• Arah IN / OUT

  • USB memiliki arsitektur yang berpusat pada host, sehingga perangkat tidak mengirim data sebelum menerima permintaan
  • IN: arah saat host menerima data
  • OUT: arah saat host mengirim data
  • Jika bit paling signifikan (MSB) pada alamat endpoint bernilai 1, berarti IN; jika 0, berarti OUT
  • Maksimal 127 endpoint kustom dapat digunakan (0x00 khusus untuk Control)
  • Endpoint bersifat satu arah, dan dapat dibentuk sebagai pasangan IN/OUT seperti pada antarmuka Fastboot

Protokol Fastboot

• Fastboot adalah protokol komunikasi bootloader Android dengan struktur mengirim string perintah lalu menerima kode status 4 byte beserta data
  • Contoh:
    • Host: "getvar:version" → Client: "OKAY0.4"
    • Host: "getvar:nonexistant" → Client: "OKAY"
• Contoh kode pengiriman perintah Fastboot menggunakan libusb
  • Antarmuka 0 diambil dengan libusb_claim_interface()
  • Perintah "getvar:version" dikirim ke endpoint Bulk OUT (0x02)
  • Respons diterima dari endpoint Bulk IN (0x81)
  • Contoh output:

    Request: getvar:version
    Response: OKAY0.4
    

  • OKAY adalah status berhasil, 0.4 adalah versi Fastboot

Penutup

• Tanpa menulis kode kernel, kita tetap bisa mengimplementasikan driver USB yang lengkap di ruang pengguna
• Semua driver USB mengikuti prinsip dasar yang sama; yang berbeda hanyalah protokolnya
• Bahkan untuk protokol yang kompleks (seperti MTP), struktur dasarnya tetap sama dan dapat didekati dengan konsep yang mirip komunikasi soket