1、USB驱动引入

USB（全称 Universal Serial Bus，通用串行总线），已经成为PC及嵌入式设备中最常用、最便捷的通信接口。Linux USB子系统较为庞大，本文主要对Linux系统下的USB总线驱动框架进行概述，重点的细节待后续文章展开。

首先来看一个现象，插入USB设备后linux系统打印如下日志：

拔出后提示：usb 1-1: USB disconnect, address 2

1.1 USB的硬件结构

如图集线器（USB Root Hub）端两条数据线（D+D-），都接有15K的下拉电阻，当无设备接入时，集线器数据线D+D-的电压为低电平。当设备接入时，由于设备的数据线上接有1.5K上拉电阻，使得1根数据线被拉高。集线器根据数据线被拉高得知有设备接入，并根据D+为高还是D-为高来判断所接入的设备是全速USB设备（D+为高）还是低速USB设备（D-为高）。

1.2 USB接入识别大致过程

当识别出有USB设备插入后，linux内的USB总线驱动程序发出命令至该设备，与设备对话，并询问设备信息（描述符），设备收到请求后，回复设备描述符给总线驱动程序。且总线驱动程序会为该设备分配一个地址，如上地址为2，当后期访问某个USB设备时，均会通过这个地址编号，当新接入的USB设备被第一次访问时，以地址0来访问。当USB总线驱动程序识别出设备后，会为其找到该USB设备驱动程序，如键盘，鼠标，U盘。

USB通信过程均为主从结构，USB主机发起通信请求，设备进行数据回复，USB设备不具备主动向主机通信的能力。

2、USB总线驱动框架

如上，我们大致了解了USB的简单通信过程，那么什么是USB总线驱动程序？什么是USB设备驱动呢？

2.1 USB的总线驱动框架

USB总线框架总结为如下图：

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。

其Makefile为：

USB的初始化函数在kernel/drivers/usb/core/usb.c中定义，主要完成bus_register（USB总线注册）、usb_major_init（注册usb主控器字符设备）、usb_register（注册usbfs驱动）、usb_hub_init（USB Hub初始化，注册hub驱动、创建内核守护线程来监测hub端口的状态变化）等工作，后续具体分析。

2.3 USB HCD（Host Controller Driver）

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：

（1）UHCI：Intel提供，通用主机控制接口，USB1.0/1.1；

（2）OHCI：微软提供，开放主机控制接口，USB1.0/1.1；

（3）EHCI：增强主机控制接口，USB2.0；

2.4 USB Device Driver

USB设备驱动框架如下图所示：

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。

在Linux内核中，使用 struct usb_driver结构体来描述一个USB驱动，通过usb_register在USB驱动中注册进内核。

因此USB设备驱动开发，主要包含如下两个部分：

分配/设置usb_driver结构体，实现并填充结构体内容
注册usb_driver

后续将对USB鼠标驱动进行详细分析，其代码在kernel/drivers/hid/usbhid/usbmouse.c

3、USB设备识别过程

通过以上分析，USB设备驱动模型可以概括为如下图。

主要包含三个部分：USB控制器驱动，USB核心，USB设备驱动。如上图khubd是USB守护进程，当USB设备插入的时候，守护进程监测到，USB主机控制器就会产生一个hub_irq中断，控制器调用hub的探测函数，来解析设备信息。

下面分析一下USB设备的识别过程。

以上显示了设备插入到USB设备驱动被调用的函数流程，后面将拿出一章具体分析函数内部实现来进一步分析USB设备识别中做了哪些事情。

4、总结

通过以上内容，我们从整体上认识了USB硬件识别过程，USB总线框架及USB设备驱动框架。后续会针对一些重点知识进行专题分析。主要包括：

USB设备描述符解析
USB四类传输类型
USB数据包格式分析
USB鼠标设备驱动代码分析
USB初始化代码分析
USB枚举过程代码分析

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Linux USB总线驱动框架分析