1、USB驅動引入

USB（全稱 Universal Serial Bus，通用串行總線），已經成為PC及嵌入式設備中最常用、最便捷的通信接口。Linux USB子系統較為龐大，本文主要對Linux系統下的USB總線驅動框架進行概述，重點的細節待后續文章展開。

首先來看一個現象，插入USB設備后linux系統打印如下日志：

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

1.1 USB的硬件結構

如圖集線器（USB Root Hub）端兩條數據線（D+D-），都接有15K的下拉電阻，當無設備接入時，集線器數據線D+D-的電壓為低電平。當設備接入時，由于設備的數據線上接有1.5K上拉電阻，使得1根數據線被拉高。集線器根據數據線被拉高得知有設備接入，并根據D+為高還是D-為高來判斷所接入的設備是全速USB設備（D+為高）還是低速USB設備（D-為高）。

1.2 USB接入識別大致過程

當識別出有USB設備插入后，linux內的USB總線驅動程序發出命令至該設備，與設備對話，并詢問設備信息（描述符），設備收到請求后，回復設備描述符給總線驅動程序。且總線驅動程序會為該設備分配一個地址，如上地址為2，當后期訪問某個USB設備時，均會通過這個地址編號，當新接入的USB設備被第一次訪問時，以地址0來訪問。當USB總線驅動程序識別出設備后，會為其找到該USB設備驅動程序，如鍵盤，鼠標，U盤。

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USB通信過程均為主從結構，USB主機發起通信請求，設備進行數據回復，USB設備不具備主動向主機通信的能力。

2、USB總線驅動框架

如上，我們大致了解了USB的簡單通信過程，那么什么是USB總線驅動程序？什么是USB設備驅動呢？

2.1 USB的總線驅動框架? ? ?

USB總線框架總結為如下圖：

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2.2?USB Core

USB Core這個模塊是純軟件部分，并不代表一個設備，是獨立于硬件的協議棧，它是所有USB設備賴以生存的模塊，即USB子系統的核心。代碼位于kernel/drivers/usb/core目錄下。

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USB Core為設備驅動程序提供服務，提供一個用于訪問和控制USB硬件的接口，而不用考慮系統當前使用的哪種HOST Controller。USB Core將用戶的請求映射到相關的HCD，用戶不能直接訪問HCD。USB Core就是HCD與USB設備的橋梁。

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其Makefile為：

USB的初始化函數在kernel/drivers/usb/core/usb.c中定義，主要完成bus_register（USB總線注冊）、usb_major_init（注冊usb主控器字符設備）、usb_register（注冊usbfs驅動）、usb_hub_init（USB Hub初始化，注冊hub驅動、創建內核守護線程來監測hub端口的狀態變化）等工作，后續具體分析。

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2.3 USB HCD（Host Controller Driver）

硬件主機控制器Host Controller之上運行的是HCD，是對主機控制器硬件的一個抽象，實現核心層與控制器之間的對話接口，USB?HCD包含多種USB接口規范：

（1）UHCI：Intel提供，通用主機控制接口，USB1.0/1.1；

（2）OHCI：微軟提供，開放主機控制接口，USB1.0/1.1；

（3）EHCI：增強主機控制接口，USB2.0；

2.4 USB Device Driver

USB設備驅動框架如下圖所示：

USB設備是由一些配置(configuration)、接口（interface）和端點(endpoint)組成，，即一個USB設備可以含有一個或多個配置，在每個配置中可含有一個或多個接口，在每個接口中可含有若干個端點。一個USB設備驅動可能包含多個子驅動。一個USB設備子驅動程序對應一個USB接口，而非整個USB設備。

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USB設備使用各種描述符來說明其設備架構，包括設備描述符、配置描述符、接口描述符、端點描述符、字符串描述符。后面單獨討論USB設備描述符。

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USB傳輸的對象為端點(endpoint)，每一個端點都有傳輸類型，傳輸方向，除了端點0外，每一個端點只支持一個方向的數據傳輸，端點0用于控制傳輸，既能輸出也能輸入。輸入(IN)、輸出(OUT) "都是" 基于USB主機的立場說的。比如鼠標的數據是從鼠標傳到PC機, 對應的端點稱為"輸入端點"。

USB的傳輸類型:

a. 控制傳輸：可靠，時間有保證，比如：USB設備的識別過程

b. 批量傳輸: 可靠, 時間沒有保證, 比如：U盤

c. 中斷傳輸：可靠，實時，比如：USB鼠標

d. 實時傳輸：不可靠，實時，比如：USB攝像頭

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針對不同類型的USB設備，需要實現特定的USB驅動程序。如HID(Human Interface Device)， 屬于人機交互類的設備，如USB鼠標，USB鍵盤等。該類設備必須遵循HID設計規范。

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在Linux內核中，使用 struct usb_driver結構體來描述一個USB驅動，通過usb_register在USB驅動中注冊進內核。

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因此USB設備驅動開發，主要包含如下兩個部分：

分配/設置usb_driver結構體，實現并填充結構體內容

注冊usb_driver

后續將對USB鼠標驅動進行詳細分析，其代碼在kernel/drivers/hid/usbhid/usbmouse.c

3、USB設備識別過程

通過以上分析，USB設備驅動模型可以概括為如下圖。

主要包含三個部分：USB控制器驅動，USB核心，USB設備驅動。如上圖khubd是USB守護進程，當USB設備插入的時候，守護進程監測到，USB主機控制器就會產生一個hub_irq中斷，控制器調用hub的探測函數，來解析設備信息。

下面分析一下USB設備的識別過程。

以上顯示了設備插入到USB設備驅動被調用的函數流程，后面將拿出一章具體分析函數內部實現來進一步分析USB設備識別中做了哪些事情。

4、總結

通過以上內容，我們從整體上認識了USB硬件識別過程，USB總線框架及USB設備驅動框架。后續會針對一些重點知識進行專題分析。主要包括：

USB設備描述符解析

USB四類傳輸類型

USB數據包格式分析

USB鼠標設備驅動代碼分析

USB初始化代碼分析

USB枚舉過程代碼分析

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總結

以上是生活随笔為你收集整理的Linux USB总线驱动框架分析的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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