USB 软件架构全解：驱动模型、协议栈与开发机制详解

嵌入式Jerry

于 2025-05-23 14:44:40 发布

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分类专栏： Linux+内核文章标签： linux 运维服务器数据库嵌入式硬件

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延续《USB 硬件原理全解》篇章，本文将聚焦于 USB 的软件架构、协议栈实现、驱动开发流程以及主从模式下的实际驱动设计逻辑，完整梳理 Linux 中 USB 子系统的核心实现机制，帮助开发者深入理解 USB 软件层的技术全貌。

一、USB 软件架构整体概览

USB 软件在 Linux 内核中是一个独立的子系统，包含以下几个关键层次：

用户空间
├── libusb / 文件系统节点（/dev/ttyUSBx, /dev/sda）
内核空间
├── USB 类驱动（Class Driver）
├── USB Core 层（设备管理、匹配、配置）
├── 主机控制器驱动（HCD）
└── Gadget 设备控制器驱动（UDC）

在这里插入图片描述

二、主机模式（Host）驱动结构

在这里插入图片描述

2.1 主机控制器驱动（HCD）

管理 SoC 内部的 USB 主机控制器硬件，如 xHCI、EHCI、DWC3 等
驱动位于：drivers/usb/host/
注册为 usb_hcd，通过 usb_create_hcd() 初始化

2.2 USB 核心层（usbcore）

负责：
- 设备检测与枚举
- 地址分配与端点配置
- 设备树或 ACPI 的匹配注册
- 驱动和设备匹配逻辑（VID/PID、Interface Class）
核心文件：drivers/usb/core/
- usb.c: 核心入口
- hub.c: 管理 USB Hub 和设备热插拔
- message.c: 控制传输的封装

2.3 类驱动（Class Drivers）

常见标准类驱动包括：

驱动模块	说明
`usb-storage`	U 盘、大容量存储设备
`cdc-acm`	USB 转串口设备，如 `/dev/ttyACM0`
`uvcvideo`	USB 摄像头
`usbtmc`	USB 测试与测量设备

2.4 驱动开发关键流程（主机端）

定义 struct usb_driver
填写 usb_device_id 匹配表
实现 probe() 与 disconnect()
使用 usb_register_driver() 注册驱动

static struct usb_driver my_driver = {
  .name = "my_usb",
  .probe = my_probe,
  .disconnect = my_disconnect,
  .id_table = my_id_table,
};

三、设备模式（Gadget）驱动结构

3.1 USB Device Controller 驱动（UDC）

位于：drivers/usb/gadget/udc/
如：ci_hdrc, dwc2, musb
通过 usb_add_gadget_udc() 注册控制器实例

3.2 USB Composite Framework

用于构建复合 USB 设备（多功能设备）
定义：
- usb_composite_driver
- usb_function
- usb_configuration
注册：usb_composite_probe()

3.3 功能驱动（Function Driver）示例

功能模块	说明
`g_serial`	USB Gadget 串口设备（ttyGS0）
`g_mass_storage`	USB 模拟 U 盘设备
`g_ether`	USB 网络设备（usb0）
`g_multi`	多功能复合设备

四、URB（USB Request Block）机制

4.1 URB 概念

URB 是内核中用于 USB 传输的核心结构，封装一次传输请求。

struct urb {
  void *transfer_buffer;
  int transfer_buffer_length;
  unsigned int pipe;
  struct usb_device *dev;
  void (*complete)(struct urb *urb);
};

4.2 使用流程（主机侧）

分配 URB：usb_alloc_urb()
填写缓冲区、方向、端点
提交 URB：usb_submit_urb()
回调处理：complete() 处理函数

五、设备识别与驱动绑定流程

5.1 枚举流程（主机侧）

主机通过 hub 检测到电平变化（上拉）
分配设备地址、读取设备描述符
主机根据 Interface Class 查找匹配驱动
调用驱动的 probe() 完成初始化

5.2 Gadget 框架启动流程（设备侧）

usb_composite_register() 注册设备
bind() 函数构建功能（如串口、存储）
UDC 通知主机设备准备就绪

六、用户态接口与调试工具

6.1 用户态访问路径

/dev/ttyUSB0 / /dev/ttyACM0：串口类设备
/dev/sda1：USB 存储
/sys/class/usb_device/：内核状态节点

6.2 调试工具

命令	用途
`lsusb`	查看 USB 设备信息
`usb-devices`	显示内核识别的设备结构
`usbmon`	USB 抓包日志调试（`modprobe usbmon`）
`strace`	跟踪 libusb 应用调用

七、主从模式差异总结

模块	主机模式（Host）	设备模式（Device）
控制器	HCD（xHCI、EHCI）	UDC（ci_hdrc、dwc2）
架构	`usb_driver`	`usb_composite_driver`
端点控制	主机配置端点	设备实现端点响应
功能驱动	存储、摄像头、串口等	g_mass_storage、g_ether、g_serial

八、USB 驱动开发常见陷阱与建议

🚫 误用 Interface number：设备可能有多个接口，需要准确匹配 Interface
🚫 未检查设备状态变化：断开重连等事件要及时处理
✅ 使用 usbcore 提供的 API，避免直接读写控制器寄存器
✅ 调试阶段使用 usbmon 分析传输细节

结语

USB 软件架构是 Linux 内核中最成熟、模块化程度最高的子系统之一。通过对 Host/Gadget 模式的结构分析、驱动开发流程讲解和 URB 通信机制的梳理，本文为理解和开发 USB 相关驱动打下坚实基础。掌握 USB 栈的使用与扩展，不仅能处理常见外设接入问题，更能开发出定制化的 USB 复合设备、传输接口或固件烧录工具。

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