linux usb 子系统（一）

了解usb 子系统

1.USB 概述

USB，Universal Serial Bus（通用串行总线），是一个外部总线标准，用于规范电脑与外部设备的连接和通讯。是应用在PC领域的接口技术。USB接口支持设备的即插即用和热插拔功能。USB是在1994年底由英特尔、康柏、IBM、Microsoft等多家公司联合提出的。

1.1.usb 接口
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1.2.USB标准

1.3.USB总线结构

USB总线的拓扑结构如下图所示：USB主机控制器（USB Host Controller）通过根集线器（Root Hub）与其他USB设备相连。集线器也属于USB设备，通过它可以在一个USB接口上扩展出多个接口。除根集线器外，最多可以层叠5个根集线器。一条USB主线上最多可以外接127个设备，当然包括根集线器和其他集线器。整个结构图是一个星型结构，一条USB总线上所有设备共享一条通往主机的数据通道，同一时刻只能有一个设备与主机通讯。

通过USB主机控制器来管理外接的USB设备。USB控制器实际上由USB控制器硬件+USB控制器软件组成的。USB主机控制器分为3种：UHCI、OHCI、EHCI。UHCI与OHCI支持USB1.1协议；EHCI支持USB2.0协议。UHCI，它的硬件比较简单，所以软件相对就比较复杂；而OHCI，它的硬件具备更多性能，相反的软件做的事情就比较少。

1.4.USB 热插拔
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1.5.USB Architecture

USB is a master-slave protocol where a host controller communicates with client devices. The USB host controller is part of the South Bridge chipset and communicates with the processor over the PCI bus.
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Figure 1. USB in the PC environment.

2.USB 驱动架构
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根据以上知识可以知道其实USB驱动程序可以分为两类：USB主机控制器驱动程序（Host Controller Drivers）、USB设备驱动程序（USB device drivers）。

2.1.USB HCD（Host Controller Driver）

USB主机控制器属于南桥芯片的一部分，通过PCI总线和处理器通信。USB主机控制器分为UHCI（英特尔提出）、OHCI（康柏和微软提出）、 EHCI。其中OHCI驱动程序用来为非PC系统上以及带有SiS和ALi芯片组的PC主办上的USB芯片提供支持。UHCI驱动程序多用来为大多数其他PC主板（包括Intel和Via）上的USB芯片提供支持。ENCI兼容OHCI和UHCI。UHCI的硬件线路比OHCI简单，所以成本较低，但需要较复杂的驱动程序，CPU负荷稍重。主机控制器驱动程序完成的功能主要包括：解析和维护URB，根据不同的端点进行分类缓存URB；负责不同USB传输类型的调度工作；负责USB数据的实际传输工作；实现虚拟跟HUB的功能。

硬件主机控制器Host Controller之上运行的是HCD，是对主机控制器硬件的一个抽象，实现核心层与控制器之间的对话接口，USB HCD包含多种USB接口规范：

UHCI：Intel提供，通用主机控制接口，USB1.0/1.1；
OHCI：微软提供，开放主机控制接口，USB1.0/1.1；
EHCI：增强主机控制接口，USB2.0；

2.2.USB Core

USB Core这个模块是纯软件部分，并不代表一个设备，是独立于硬件的协议栈，它是所有USB设备赖以生存的模块，即USB子系统的核心。代码位于kernel/drivers/usb/core目录下。

USB Core为设备驱动程序提供服务，提供一个用于访问和控制USB硬件的接口，而不用考虑系统当前使用的哪种HOST Controller。USB Core将用户的请求映射到相关的HCD，用户不能直接访问HCD。USB Core就是HCD与USB设备的桥梁。

2.3.USB Device Driver

USB设备驱动框架如下图所示：
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USB设备是由一些配置(configuration)、接口（interface）和端点(endpoint)组成，，即一个USB设备可以含有一个或多个配置，在每个配置中可含有一个或多个接口，在每个接口中可含有若干个端点。一个USB设备驱动可能包含多个子驱动。一个USB设备子驱动程序对应一个USB接口，而非整个USB设备。

USB设备使用各种描述符来说明其设备架构，包括设备描述符、配置描述符、接口描述符、端点描述符、字符串描述符。后面单独讨论USB设备描述符。

USB传输的对象为端点(endpoint)，每一个端点都有传输类型，传输方向，除了端点0外，每一个端点只支持一个方向的数据传输，端点0用于控制传输，既能输出也能输入。输入(IN)、输出(OUT) “都是” 基于USB主机的立场说的。比如鼠标的数据是从鼠标传到PC机, 对应的端点称为"输入端点"。

USB的传输类型:

a. 控制传输：可靠，时间有保证，比如：USB设备的识别过程
b. 批量传输: 可靠, 时间没有保证, 比如：U盘
c. 中断传输：可靠，实时，比如：USB鼠标
d. 实时传输：不可靠，实时，比如：USB摄像头

针对不同类型的USB设备，需要实现特定的USB驱动程序。如HID(Human Interface Device)，属于人机交互类的设备，如USB鼠标，USB键盘等。该类设备必须遵循HID设计规范。

3.USB设备识别过程

定时轮询方式，当定时时间到了运行定时器程时指定的定时器rh_timer的function函数rh_timer_func。

->rh_timer_func 
  ->usb_hcd_poll_rh_status                    //hcd.c
    ->hcd->driver->hub_status_data(hcd, buffer)
    ->usb_hcd_unlink_urb_from_ep(hcd, urb);
    ->usb_hcd_giveback_urb(hcd, urb, 0)
         ->usb_giveback_urb_bh();            //tasklet_hi_schedule(&bh->bh);
            ->__usb_hcd_giveback_urb(urb);
              ->urb->complete(urb);       //hub_irq
                ->hub_irq //hub.c  usb_fill_int_urb(hub->urb, hdev, pipe, *hub->buffer, maxp, hub_irq,
                  ->kick_hub_wq(hub);
                    ->hub_event //INIT_WORK(&hub->events, hub_event);
                      ->port_event(hub, i);
                        ->hub_port_connect_change
                          ->hub_port_connect
                            ->hub_port_init
                            ->usb_new_device(udev);
                              ->usb_enumerate_device(udev);//开始枚举
                              ->device_add(&udev->dev);//枚举完毕后加载设备驱动

Note:
使用定时器查询的主要原因是USB没有中断USB控制器的能力，所以当USB设备接入之后，获取USB输入的信息是无法通过中断方式来获取，只能通过定时器定时轮训获取。当USB设备未插入时，定时器rh_timer会停止，直到USB插入之后，再次开启定时查询USB设备输入的信息。

refer to

https://zhuanlan.zhihu.com/p/61079354

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