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。......
2023-11-22
深入剖析Linux内核设备驱动的USB总线驱动框架
【摘要】：USB总线主设备框架还是以bus_type作为入口来了解总线框架。
1.总线相关以及核心框架
针对USB功能，Linux内核中提供了主设备和从设备两个不同的框架，这里主要介绍作为主设备的框架。USB总线主设备框架还是以bus_type作为入口来了解总线框架。
usb_bus_type中重要的是usb_device_match，下面来了解细节：
从分析中可知，USB总线框架主要管理的是两类设备，分别是usb_device和usb_inter-face。从USB规范的角度可知usb_interface更专注于功能，应该是获得描述符之后才创建的，而usb_device则对应于USB物理设备。这样就从逻辑功能和物理层面都对设备进行管理，从管理层次上来说也是完整的。对应的驱动包括usb_device_driver和usb_driver，其中usb_device_driver对应于usb_device，而usb_driver则对应于usb_interface。usb_device_driver主要用于实现设备发现，而usb_driver则主要实现与功能模块的关联以及电源管理相关的功能。
像其他总线设备一样，总线控制器负责总线事务的交互。USB主设备总线框架就是对以上内容的管理，具体架构如图7-14所示。
图7-14 Linux USB主设备总线架构
从图7-14可见，USB总线框架各模块划分，包括host software主要负责协议相关的部分，包括枚举设备、数据传输等；USBDI（USB driver interface）主要负责屏蔽USB细节，为其他功能框架使用USB总线传输的接口层；USBD（即USB driver）负责USB设备的功能关联；HCDI则是屏蔽不同总线控制器之间的差别；最后Host Controller Driver是具体的总线控制器的驱动，相应地负责与总线控制器交互完成总线传输。
这样整体框架从层次的角度就完整了。
2.总线控制器相关
USB总线框架对总线控制器的管理主要是通过usb_hcd来实现的，其详细分析如下：
从管理实体中可见，其中除了自身的属性和状态之外还包含了root hub相关的信息，这与硬件及规范一致。另外重要的就是hc_driver，其中包含实际操作的接口，负责总线传输。由于USB总线控制器有不同的类型，如OHCI、EHCI、UHCI、XHCI等，这里usb_hcd是对所有这些总线控制器共性的抽象，相应的hcd_priv指向不同控制器私有的属性，主要是定义不同的传输排列方式以及控制状态寄存器等。这里与其他总线控制器实体不同的是没有设备模型的实体，主要是由于USB总线控制器与root hub的亲密关系，而root hub本身就是设备，而设备的层次关系通过usb_bus中的controller进行关联。
关于总线控制器，USB框架提供了创建以及注册管理的接口。首先来了解创建的接口usb_create_hcd：
从分析中可见，USB总线控制器的操作已经与USB总线以及root hub的操作相结合，这与它们之间的紧密关系是分不开的。
对于注册与管理接口，USB框架的接口为usb_add_hcd，主要功能是初始化并注册总线控制器，其中同样包括注册USB总线以及创建并注册root hub。在调用了usb_add_hcd时，就创建了总线，从而可以进行设备发现以及驱动功能绑定的工作。
框架提供了统一的传输以及其他总线控制器功能操作接口，具体如下：
这样总线控制器的底层与上层就完整了。
3.总线设备相关
USB设备在总线框架中已经有所介绍，主要由usb_device和usb_interface共同完成。先来了解usb_device的详细信息：(www.chuimin.cn)
从分析中可见，总线规范中关于设备的各种属性都在usb_device中有了体现。再来看看interface的管理实体：
usb_interface会在枚举时创建usb_host_interface，其中包含了endpoint的信息，这与总线规范是一致的，另外通过interface_to_usbdev可以关联到usb_device（通过dev的parent关联的），这样设备层面就都关联在一起了。
总线设备最重要的功能就是设备发现，USB总线的设备发现流程如图7-15所示。
这里主要是hub的功能，最终会通过usb_new_device来将usb_device注册进系统，相应的usb_device是通过usb_alloc_dev进行分配的，在usb_new_device中会读取描述符，在注册之后就会进行对应设备驱动的match工作。在总线框架中可知，usb_device直接返回的值为1，这是由于系统中只有一个对应于usb_device的驱动，即usb_generic_driver，细节如下：
图7-15 Linux USB设备发现流程
接下来设备发现的功能由generic_probe实现，下面来看看细节：
这里主要是读取配置信息，并进行配置。在usb_set_configuration中会根据设备的属性创建所有的usb_interface并注册。这样USB系统就开始对功能驱动的匹配工作，相应的进入到USB总线match工作的后半部分，即usb_interface相关的部分，找到相应的驱动再执行probe，从而完成整个设备发现及驱动绑定的功能。
4.总线传输接口
USB总线传输主要是实现USB总线规范中的四种传输，在Linux USB框架中通过urb进行管理，主要内容如下：
USB总线的传输是以urb为核心展开的。具体的流程如图7-16所示。
为了简化USB总线传输操作，USB总线框架提供了如下接口以实现几种类型的总线传输功能：
图7-16 Linux USB总线传输流程图
USB总线框架已经为主要功能都提供了统一的操作，并提供了良好的接口供驱动开发。
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