【Linux驱动开发】Linux USB驱动架构详解

Linux USB驱动架构详解

概述

Linux USB子系统是Linux内核中最复杂的子系统之一，它支持USB主机模式、设备模式和OTG模式。USB驱动架构分为三个主要部分：USB主机驱动、USB设备驱动和USB Gadget驱动。本文将深入分析这三个部分的工作原理和实现机制。

1. USB主机驱动架构

1.1 USB主机控制器类型

USB主机控制器（Host Controller Device, HCD）是USB主机侧的核心组件，负责管理USB总线上的所有通信。Linux内核支持多种类型的USB主机控制器：

1.1.1 不同类型的HCD

• OHCI (Open Host Controller Interface)：USB 1.1标准，支持低速(1.5Mbps)和全速(12Mbps)设备
• UHCI (Universal Host Controller Interface)：Intel提出的USB 1.1标准，同样支持低速和全速设备
• EHCI (Enhanced Host Controller Interface)：USB 2.0标准，支持高速(480Mbps)设备
• xHCI (eXtensible Host Controller Interface)：USB 3.0及以上标准，支持超高速(5Gbps)设备

1.1.2 HCD驱动架构

USB主机驱动采用分层架构：

USB设备驱动层
↓
USB核心层 (USB Core)
↓
主机控制器驱动层 (HCD)
↓
硬件层

1.2 USB核心层(USB Core)

USB Core是USB子系统的核心，提供以下功能：

1.2.1 设备枚举和管理

• 检测设备连接和断开
• 读取设备描述符信息
• 分配设备地址
• 配置设备参数

1.2.2 URB管理

USB Request Block (URB)是USB通信的基本单元：

struct urb {
struct kref kref; /* 引用计数 */
void *hcpriv; /* HCD私有数据 */
struct list_head urb_list; /* URB链表 */
struct usb_device *dev; /* 目标设备 */
unsigned int pipe; /* 管道信息 */
int status; /* URB状态 */
unsigned int transfer_flags; /* 传输标志 */
void *transfer_buffer; /* 传输缓冲区 */
dma_addr_t transfer_dma; /* DMA地址 */
int transfer_buffer_length; /* 缓冲区长度 */
int actual_length; /* 实际传输长度 */
unsigned char *setup_packet; /* 控制传输设置包 */
int start_frame; /* 等时传输起始帧 */
int number_of_packets; /* 等时传输包数量 */
int interval; /* 中断传输间隔 */
int error_count; /* 错误计数 */
void *context; /* 完成回调上下文 */
usb_complete_t complete; /* 完成回调函数 */
/* … 其他字段 */
};

1.2.3 驱动匹配机制

USB Core通过以下方式匹配设备和驱动：

1.3 HCD驱动实现

以xHCI驱动为例，HCD驱动需要实现以下关键函数：

static const struct hc_driver xhci_hc_driver = {
.description = "xhci-hcd",
.product_desc = "xHCI Host Controller",
.hcd_priv_size = sizeof(struct xhci_hcd),

/* 基本生命周期操作 */
.reset = xhci_reset,
.start = xhci_run,
.stop = xhci_stop,
.shutdown = xhci_shutdown,

/* URB管理 */
.urb_enqueue = xhci_urb_enqueue,
.urb_dequeue = xhci_urb_dequeue,

/* 端点管理 */
.endpoint_disable = xhci_endpoint_disable,
.endpoint_reset = xhci_endpoint_reset,

/* 根Hub管理 */
.hub_status_data = xhci_hub_status_data,
.hub_control = xhci_hub_control,

/* 设备管理 */
.alloc_dev = xhci_alloc_dev,
.free_dev = xhci_free_dev,

/* 其他必要函数 */
.get_frame_number = xhci_get_frame_number,
.irq = xhci_irq,
};

2. USB设备驱动模型

2.1 USB设备层次结构

USB设备采用树形层次结构：

USB设备 (Device)
├── 配置 (Configuration)
│ ├── 接口 (Interface)
│ │ ├── 端点 (Endpoint)
│ │ ├── 端点 (Endpoint)
│ │ └── …
│ ├── 接口 (Interface)
│ └── …
├── 配置 (Configuration)
└── …

2.1.1 设备描述符

struct usb_device_descriptor {
__u8 bLength; /* 描述符长度 */
__u8 bDescriptorType; /* 描述符类型 */
__le16 bcdUSB; /* USB版本号 */
__u8 bDeviceClass; /* 设备类别 */
__u8 bDeviceSubClass; /* 设备子类别 */
__u8 bDeviceProtocol; /* 设备协议 */
__u8 bMaxPacketSize0; /* 端点0最大包大小 */
__le16 idVendor; /* 厂商ID */
__le16 idProduct; /* 产品ID */
__le16 bcdDevice; /* 设备版本号 */
__u8 iManufacturer; /* 厂商字符串索引 */
__u8 iProduct; /* 产品字符串索引 */
__u8 iSerialNumber; /* 序列号字符串索引 */
__u8 bNumConfigurations; /* 配置数量 */
} __attribute__ ((packed));

2.1.2 接口描述符

struct usb_interface_descriptor {
__u8 bLength; /* 描述符长度 */
__u8 bDescriptorType; /* 描述符类型 */
__u8 bInterfaceNumber; /* 接口编号 */
__u8 bAlternateSetting; /* 备用设置 */
__u8 bNumEndpoints; /* 端点数量 */
__u8 bInterfaceClass; /* 接口类别 */
__u8 bInterfaceSubClass; /* 接口子类别 */
__u8 bInterfaceProtocol; /* 接口协议 */
__u8 iInterface; /* 接口字符串索引 */
} __attribute__ ((packed));

2.1.3 端点描述符

struct usb_endpoint_descriptor {
__u8 bLength; /* 描述符长度 */
__u8 bDescriptorType; /* 描述符类型 */
__u8 bEndpointAddress; /* 端点地址 */
__u8 bmAttributes; /* 端点属性 */
__le16 wMaxPacketSize; /* 最大包大小 */
__u8 bInterval; /* 轮询间隔 */

/* USB 3.0扩展字段 */
__u8 bRefresh;
__u8 bSynchAddress;
} __attribute__ ((packed));

2.2 USB驱动注册和匹配

2.2.1 USB驱动结构

struct usb_driver {
const char *name; /* 驱动名称 */

/* 当设备匹配成功时调用 */
int (*probe)(struct usb_interface *intf,
const struct usb_device_id *id);

/* 设备断开时调用 */
void (*disconnect)(struct usb_interface *intf);

/* 设备挂起时调用 */
int (*suspend)(struct usb_interface *intf, pm_message_t message);

/* 设备恢复时调用 */
int (*resume)(struct usb_interface *intf);

/* 设备重置前调用 */
int (*pre_reset)(struct usb_interface *intf);

/* 设备重置后调用 */
int (*post_reset)(struct usb_interface *intf);

/* 设备ID表 */
const struct usb_device_id *id_table;

/* 其他字段 */
struct usbdrv_wrap drvwrap;
unsigned int no_dynamic_id:1;
unsigned int supports_autosuspend:1;
unsigned int disable_hub_initiated_lpm:1;

/* 设备组 */
const struct attribute_group **dev_groups;
};

2.2.2 设备ID表

struct usb_device_id {
__u16 match_flags; /* 匹配标志 */
__u16 idVendor; /* 厂商ID */
__u16 idProduct; /* 产品ID */
__u16 bcdDevice_lo; /* 设备版本号下限 */
__u16 bcdDevice_hi; /* 设备版本号上限 */
__u8 bDeviceClass; /* 设备类别 */
__u8 bDeviceSubClass; /* 设备子类别 */
__u8 bDeviceProtocol; /* 设备协议 */
__u8 bInterfaceClass; /* 接口类别 */
__u8 bInterfaceSubClass; /* 接口子类别 */
__u8 bInterfaceProtocol; /* 接口协议 */
__u8 bInterfaceNumber; /* 接口编号 */
kernel_ulong_t driver_info; /* 驱动私有信息 */
};

2.3 USB设备枚举过程

USB设备枚举是USB Core自动完成的复杂过程：

2.3.1 枚举步骤

2.3.2 枚举过程中的关键函数

/* 设备添加 */
int usb_new_device(struct usb_device *udev);

/* 设备配置 */
int usb_configure_device(struct usb_device *udev);

/* 接口驱动匹配 */
int usb_probe_interface(struct usb_interface *intf);

3. USB Gadget驱动框架

3.1 Gadget驱动架构

USB Gadget驱动使Linux系统能够作为USB设备工作，其架构分为多层：

Gadget Function驱动层
↓
Composite层 (可选)
↓
Gadget Function API层
↓
UDC (USB Device Controller)驱动层
↓
硬件层

3.2 UDC驱动

USB Device Controller (UDC)驱动直接控制USB设备控制器硬件：

3.2.1 UDC驱动结构

struct usb_gadget {
const struct usb_gadget_ops *ops; /* 操作函数 */
struct usb_ep *ep0; /* 端点0 */
struct list_head ep_list; /* 端点链表 */
enum usb_device_speed speed; /* 当前速度 */
enum usb_device_speed max_speed; /* 最大速度 */
unsigned int is_dualspeed:1; /* 是否支持双速 */
unsigned int is_otg:1; /* 是否支持OTG */
unsigned int is_a_peripheral:1; /* 是否为A设备外设 */
unsigned int b_hnp_enable:1; /* B设备HNP使能 */
unsigned int a_hnp_support:1; /* A设备HNP支持 */
unsigned int a_alt_hnp_support:1; /* A设备备用HNP支持 */
const char *name; /* 控制器名称 */
struct device *dev; /* 设备结构 */
};

3.2.2 Gadget操作函数

struct usb_gadget_ops {
int (*get_frame)(struct usb_gadget *gadget);
int (*wakeup)(struct usb_gadget *gadget);
int (*set_selfpowered)(struct usb_gadget *gadget, int is_selfpowered);
int (*vbus_session)(struct usb_gadget *gadget, int is_active);
int (*vbus_draw)(struct usb_gadget *gadget, unsigned mA);
int (*pullup)(struct usb_gadget *gadget, int is_on);
int (*ioctl)(struct usb_gadget *gadget,
unsigned code, unsigned long param);
};

3.3 Gadget Function驱动

Gadget Function驱动实现具体的USB设备功能：

3.3.1 Function驱动结构

struct usb_function {
const char *name; /* 功能名称 */
struct usb_gadget_strings **strings; /* 字符串描述符 */
struct usb_descriptor_header **descriptors; /* 描述符 */
struct usb_descriptor_header **hs_descriptors; /* 高速描述符 */
struct usb_descriptor_header **ss_descriptors; /* 超高速描述符 */

/* 配置管理 */
int (*bind)(struct usb_configuration *, struct usb_function *);
void (*unbind)(struct usb_configuration *, struct usb_function *);

/* 接口管理 */
int (*set_alt)(struct usb_function *, unsigned interface, unsigned alt);
int (*get_alt)(struct usb_function *, unsigned interface);
void (*disable)(struct usb_function *);

/* USB请求处理 */
int (*setup)(struct usb_function *, const struct usb_ctrlrequest *);
void (*suspend)(struct usb_function *);
void (*resume)(struct usb_function *);

/* 其他字段 */
struct usb_configuration *config;
struct list_head list;
struct usb_ep *ep0;
struct list_head ep_list;
};

3.3.2 常用Function驱动

• mass_storage：U盘功能
• acm：USB串口功能
• rndis：USB网络功能
• uac：USB音频功能
• uvc：USB视频功能

3.4 Composite框架

Composite框架支持将多个Function组合成一个复合设备：

3.4.1 Composite驱动结构

struct usb_composite_driver {
const char *name; /* 驱动名称 */
const struct usb_device_descriptor *dev; /* 设备描述符 */
struct usb_gadget_strings **strings; /* 字符串描述符 */

/* 生命周期管理 */
int (*bind)(struct usb_composite_dev *cdev);
int (*unbind)(struct usb_composite_dev *cdev);

/* 挂起和恢复 */
void (*suspend)(struct usb_composite_dev *cdev);
void (*resume)(struct usb_composite_dev *cdev);

/* USB请求处理 */
int (*setup)(struct usb_composite_dev *cdev,
const struct usb_ctrlrequest *ctrl);

/* 其他字段 */
struct usb_gadget_driver gadget_driver;
unsigned needs_serial:1;
unsigned max_speed:4;
};

3.5 ConfigFS配置接口

ConfigFS提供了用户空间配置Gadget的接口：

3.5.1 ConfigFS使用示例

# 创建Gadget配置
mkdir /sys/kernel/config/usb_gadget/g1
cd /sys/kernel/config/usb_gadget/g1

# 设置设备描述符
echo 0x18d1 > idVendor # Google
echo 0x4e11 > idProduct # Nexus 4

# 创建配置
mkdir configs/c.1
echo 120 > configs/c.1/MaxPower

# 创建功能
mkdir functions/mass_storage.usb0
mkdir functions/acm.usb1

# 绑定功能到配置
ln -s functions/mass_storage.usb0 configs/c.1/
ln -s functions/acm.usb1 configs/c.1/

# 绑定到UDC
echo "musb-hdrc.0.auto" > UDC

4. 核心数据结构总结

4.1 USB核心数据结构关系

usb_device
├── usb_device_descriptor
├── usb_config
│ ├── usb_configuration
│ └── usb_interface
│ ├── usb_interface_descriptor
│ └── usb_host_endpoint
│ └── usb_endpoint_descriptor
└── usb_host_endpoint (ep0)

4.2 关键数据结构映射

4.3 驱动模型对比

5. 开发实践建议

5.1 USB设备驱动开发

5.2 Gadget驱动开发

5.3 调试技巧

6. 总结

Linux USB驱动架构是一个高度模块化和分层的系统，通过清晰的接口定义实现了主机和设备模式的统一管理。理解USB协议规范、掌握核心数据结构、熟悉驱动框架是开发高质量USB驱动的关键。随着USB技术的不断发展，新的USB标准和功能不断涌现，开发者需要持续学习和跟进最新的技术趋势。

USB驱动开发涉及硬件协议、内核编程、设备管理等多个方面，需要开发者具备扎实的理论基础和丰富的实践经验。通过深入理解本文介绍的架构原理和实现机制，开发者可以更好地开发和调试USB驱动程序。