深入剖析Linux内核与设备驱动：USB总线驱动需求

2025-09-30 理论教育版权反馈

【摘要】：USB的设计为非对称式的，它是主从式总线，任何USB事务都是由主机引发的。USB总线拓扑如图7-12所示。图7-12引自《USB2.0规范》。USB总线已经成为使用最广泛的设备连接标准。每个USB设备至少有两个端点/管道，分别是进和出两个方向，编号为0，用于控制总线上的设备。总体上来说，系统对USB总线驱动的需求就是要能按规范实现总线的各种功能，并且满足总线的各种无关性的需求。

USB（Universal Serial Bus）是连接计算机系统与外部设备的一种串口总线标准，也是一种输入输出接口的技术规范，被广泛地应用于个人电脑和移动设备等通信产品，并扩展至摄影器材、数字电视（机顶盒）、游戏机等其他相关领域。

USB最初是由英特尔公司与微软公司倡导发起的，其最大的特点是支持热插拔和即插即用。当设备插入时，主机枚举到此设备并加载所需的驱动程序，使用比其他总线方便。在速度方面，USB 1.1的最大传输带宽为12Mbit/s，USB 2.0的最大传输带宽为480Mbit/s，USB 3.0的最大传输带宽为5Gbit/s。

USB的设计为非对称式的，它是主从式总线，任何USB事务都是由主机引发的。USB主机处于主模式，设备处于从模式。USB总线是由主机控制器和若干hub设备以及与hub连接的从设备组成的。USB总线拓扑如图7-12所示。图7-12引自《USB2.0规范》。

图7-12　USB总线拓扑

从图7-12可见，一个Host控制器会和root hub绑定，并可以通过Hub连接多个设备。

USB可以连接的外设有鼠标、键盘、游戏手柄、游戏杆、扫描仪、数码相机、打印机、硬盘和网络部件等各种设备。USB总线已经成为使用最广泛的设备连接标准。

规范中为了实现以上的功能对总线中的很多环节都进行了定义。一个USB物理设备可以承担多种功能，USB的术语中设备（device）指的是功能（functions），更注重逻辑性。规范中关于主从设备的交互如图7-13所示。

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图7-13　USB主从设备交互框图

从图7-13可见，管道（pipe）把主机控制器和端点（endpoint）连接起来形成一个交互通道进行主从设备的交互。端点只能单向（进/出）传输数据，管道也是单向的。每个USB设备至少有两个端点/管道，分别是进和出两个方向，编号为0，用于控制总线上的设备。按照各自的传输类型，管道被分为4类：

●控制传输（Control）。一般用于短的、简单的设备命令和状态反馈，例如用于总线控制的0号管道。

●同步传输（Isochronous）。按照有保障的速度传输，可能有数据丢失，例如实时的音频和视频。

●中断传输（Interrupt）。用于必须保证尽快反应的设备（有限延迟），例如鼠标和键盘。

●批量传输（Bulk）。使用余下的带宽大量地（但是没有对于延迟、连续性、带宽和速度的保证）传输数据，例如普通的文件传输。

为了访问端点，必须获得设备一个分层的配置。连接到主机的设备只有一个设备描述符（device descriptors），而设备描述符有若干配置描述符（configuration descriptors）。这些配置一般与状态相对应，例如活跃和节能模式。每个配置描述符有若干接口描述符（interface setting），用于描述设备的一个功能方面，所以可以用于描述从设备不同的功能，如一个相机可能拥有视频和音频两个接口。接口描述符有一个默认接口设置（default interface set-tings）和可能多个替代接口设置（alternate interface settings），接口设置中包含端点描述符。一个端点能够在多个接口和替代接口设置之间复用。

总体上来说，系统对USB总线驱动的需求就是要能按规范实现总线的各种功能，并且满足总线的各种无关性的需求。

深入剖析Linux内核与设备驱动：USB总线驱动需求

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