Linux 驱动开发之USB设备分析4

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Linux 驱动开发之USB设备分析4（基于Linux6.6）---USB热插拔介绍

一、USB基础概念

1.1、硬件知识

在最初的标准里，USB接头有4条线：电源，D-,D+,地线。我们暂且把这样的叫做标准的USB接头吧。后来OTG出现了，又增加了miniUSB接头。而miniUSB接头则有5条线，多了一条ID线,用来标识身份用的。标准USB口只有A型和B型。其中每一型又分为插头和插座，例如A型插头，A型插座等。我们平常电脑上用的那种插座叫做A型USB插座，而相应的插头，叫做A型插头，例如U盘上那种。而像打印机上面那个插座，则是B型插座(比较四方的，没电脑上面那种扁)，相应的插头，就是B型插头。也许你见过一头方一头扁的USB延长线，没错了，扁的那头就叫做A型插头，而方的那头，就叫做B型插头，而相应的被插的那两个插座，就分别是A型插座和B型插座了。A型插头是插不进B型插座的，反之亦然。

miniUSB也分为A型，B型，但增加了一个AB型。既然它叫做miniUSB,那么当然它就是很小的了，主要是给便携式设备用的，例如MP3、手机、数码相机等。USB是一主多从结构，即一个时刻只能有一台主机。像PC机就是一个主机，其它的只能是设备，因而两个设备之间是无法直接进行通信的。而USB OTG(on the go)的出现，则解决了这个矛盾：一个设备可以在某种场合下，改变身份，以主机的形式出现。因而就出现了AB型的miniUSB插座，不管是A型miniUSB插头，还是B型miniUSB插头，都可以插进去，而靠里面多出的那条ID线来识别它的身份：是主机还是从机。这样两个USB设备就可以直接连接起来，进行数据传送了。像我们MP3上用的那中miniUSB插座，就是B型的miniUSB插座(注意,有一类miniUSB插座，似乎不是USB规范里面的，因为miniUSB接头应该有5条线,而这种插座只有4条线)。由于USB是支持热插拔的，因此它在接头的设计上也有相应的措施。USB插头的地引脚和电源引脚比较长，而两个数据引脚则比较短，这样在插入到插座中时，首先接通电源和地，然后再接通两个数据线。这样就可以保证电源在数据线之前接通，防止闩锁发生。至于USB电缆，通常我们不怎么关心，买现成的就行了，除非你是生产USB线缆的。在全速模式下需要使用带屏蔽的双绞电缆线，而低速模式模式则可以不用屏蔽和双绞。此外，USB协议规定，USB低速电缆长度不得超过3米，而全速电缆长度不得超过5米。这是因为线缆传输有延迟，要保证能够正确响应，就不能延迟太多。USB标准规定了里面信号线的颜色，其中Vbus为红色，D-为白色，D+为绿色，GND为黑色。

1.2、集线器把USB设备的连接报告给USB主控制器

首先，在USB集线器的每个下游端口的D+和D-上，分别接了一个15K欧姆的下拉电阻到地。这样，在集线器的端口悬空时，就被这两个下拉电阻拉到了低电平。而在USB设备端，在D+或者D-上接了1.5K欧姆上拉电阻。对于全速和高速设备，上拉电阻是接在D+上；而低速设备则是上拉电阻接在D-上。这样，当设备插入到集线器时，由1.5K的上拉电阻和15K的下拉电阻分压，结果就将差分数据线中的一条拉高了。集线器检测到这个状态后，它就报告给USB主控制器（或者通过它上一层的集线器报告给USB主控制器），这样就检测到设备的插入了。USB高速设备先是被识别为全速设备，然后通过HOST和DEVICE两者之间的确认，再切换到高速模式的。在高速模式下，是电流传输模式，这时将D+上的上拉电阻断开。

1.3、USB 硬件架构

USB 架构可以分为以下几个重要部分：

主机控制器（Host Controller）：
- 主机控制器是 USB 系统的核心，负责管理数据传输、设备控制、事件处理等。Linux 支持多种 USB 主机控制器，例如：
  - UHCI（Universal Host Controller Interface）：较老的控制器，通常用于早期的 USB 1.x 系统。
  - OHCI（Open Host Controller Interface）：另一种较旧的 USB 1.x 控制器。
  - EHCI（Enhanced Host Controller Interface）：用于 USB 2.0 设备的控制器。
  - xHCI（eXtensible Host Controller Interface）：用于支持 USB 3.x 和更高版本设备的控制器。
USB 设备（Devices）：
- USB 设备是通过 USB 总线连接到计算机的外部硬件设备。设备通过 USB 总线与主机进行数据交换。设备可以是多种类型：
  - USB 存储设备：如 U 盘、外部硬盘。
  - USB 输入设备：如键盘、鼠标、触摸屏。
  - USB 音频设备：如麦克风、扬声器。
  - USB 视频设备：如网络摄像头、视频采集卡。
  - USB 打印机：打印机等输出设备。
USB 集线器（Hub）：
- USB 集线器（Hub）是允许多个 USB 设备连接到计算机的设备。它可以扩展 USB 接口的数量，分配带宽以及管理多个设备的通信。
USB 总线（Bus）：
- USB 总线是主机控制器与设备之间的数据传输通道。USB 总线是全双工的，可以同时进行数据发送和接收。每个 USB 设备都有一个唯一的地址，USB 主机控制器管理这些设备的连接和通信。

1.4、USB 设备的通信

USB 的数据传输是通过一种叫做“数据包”（Packet）的方式进行的。每个数据包都包含了数据和控制信息，传输过程由主机控制器和 USB 设备共同协调。

USB 的通信协议分为多个层次，主要包括：

物理层（Physical Layer）：负责电气信号的传输。
链路层（Link Layer）：定义数据传输的格式、速率、纠错机制等。
传输层（Transport Layer）：负责设备之间的数据传输，定义了不同类型的传输（控制、批量、中断、同步）。
会话层（Session Layer）：管理设备的连接状态，进行设备的识别、配置等操作。

传输类型

USB 支持以下几种不同的数据传输方式：

控制传输（Control Transfer）：
- 用于设备的初始化、配置、命令控制等小数据量的通信。
- 如设备的请求、状态查询等操作。
批量传输（Bulk Transfer）：
- 用于大数据量的传输，通常用于存储设备（例如 U 盘、硬盘等）。
- 传输速率较高，但传输是非实时的。
中断传输（Interrupt Transfer）：
- 用于实时性要求较高的传输，如键盘、鼠标等输入设备的事件。
- 有固定的传输时间间隔。
同步传输（Isochronous Transfer）：
- 用于需要保证固定带宽、低延迟的实时数据传输，如音频、视频等设备。
- 支持实时流数据传输，确保数据传输的时间一致性。

1.5、USB 设备的识别与配置

当一个 USB 设备连接到主机时，Linux 内核会根据设备的 Vendor ID 和 Product ID（即设备的唯一标识符）来识别设备，并加载相应的驱动程序。

设备描述符（Device Descriptor）

USB 设备通过设备描述符（Device Descriptor）向主机报告自身的信息。设备描述符中包含了设备的 Vendor ID、Product ID、设备类、子类、协议等信息。根据这些信息，主机可以识别设备并加载合适的驱动。

设备描述符（Device Descriptor）：包含设备的基本信息。
配置描述符（Configuration Descriptor）：描述设备的配置，包括设备的功能、接口、端点等。
接口描述符（Interface Descriptor）：描述设备的功能接口，可能有多个接口。
端点描述符（Endpoint Descriptor）：描述设备数据传输的端点（数据流的来源或目的地）。

设备驱动

Linux 提供了对 USB 设备的驱动支持。当设备连接时，USB 子系统会根据设备的描述符信息来匹配合适的驱动。常见的 USB 设备驱动包括：

USB 存储驱动：如 usb-storage 驱动，用于支持 U 盘、外部硬盘等存储设备。
USB 网络驱动：如 cdc_ether 驱动，用于支持 USB 网络适配器。
USB 输入设备驱动：如 usbhid 驱动，用于支持 USB 键盘、鼠标等设备。
USB 音频驱动：如 usb-audio 驱动，用于支持 USB 音频设备。

二、热插拔

1. USB 热插拔工作原理

USB 热插拔的关键在于系统能在设备插入或拔出时，动态地检测、识别、配置并加载适当的驱动程序。具体的工作过程包括以下几个步骤：

设备插入：当用户插入 USB 设备时，物理层（硬件）会通过 USB 总线传递信号到主机控制器。Linux 内核通过检测到的硬件中断（IRQ）来识别这一事件。
设备检测：内核的 USB 子系统接收到设备插入的信号后，会扫描该设备的描述符（Device Descriptor）以获取设备的身份信息，如厂商 ID、产品 ID、设备类型等。
驱动匹配：内核根据设备的描述符与已加载的 USB 驱动程序进行匹配。匹配成功后，相应的驱动程序会被加载，设备也就准备好了可以使用。
设备配置：设备的配置过程通常包括分配系统资源、设置接口、配置端点等。对于一些设备（如存储设备），内核还可能挂载该设备。
设备使用：一旦设备配置完成，用户可以开始使用设备，例如读取 U 盘中的数据、使用 USB 键盘输入等。
设备拔出：当设备被拔出时，Linux 会检测到 USB 总线上的信号变化，并进行相应的清理操作。系统会卸载设备驱动程序并释放资源，确保不会出现数据丢失或系统崩溃。

2. USB 热插拔的关键组件

内核（Kernel）：Linux 内核提供了支持 USB 热插拔的底层机制。USB 子系统负责设备的识别、驱动的加载、以及设备的资源分配。
udev（用户空间设备管理器）：udev 是一个用户空间的设备管理器，它用于动态管理设备节点和设备事件。udev 会监听内核发出的设备添加或删除事件，并执行相应的规则来创建或删除设备节点。例如，当插入一个 USB 存储设备时，udev 会自动在 /dev 目录下创建相应的设备文件（如 /dev/sda）。
USB 主机控制器驱动：主机控制器是与 USB 总线通信的硬件部分。不同版本的 USB（如 USB 2.0、USB 3.0、USB 3.1）会使用不同的控制器，并由相应的驱动程序进行支持。
设备驱动程序：USB 设备的驱动程序负责与设备进行通信，处理数据传输等。Linux 提供了对各种 USB 设备的驱动支持，如 USB 存储、USB 网络设备、USB 输入设备等。

3. 热插拔事件处理

USB 热插拔事件在 Linux 系统中是通过以下几个主要机制进行处理的：

内核日志（dmesg）：当插入或拔出 USB 设备时，内核会输出相关的日志信息。这些信息包括设备的连接、断开、驱动加载等状态。用户可以使用 dmesg 命令查看日志，以便诊断 USB 设备的问题。

例如，插入 USB 设备时可能会看到类似的日志输出：

[ 1234.567890] usb 2-1: new high-speed USB device number 3 using xhci_hcd
[ 1234.789012] usb 2-1: New USB device found, idVendor=0781, idProduct=5567, bcdDevice= 1.00
[ 1234.789019] usb 2-1: New USB device strings: Mfr=1, Product=2, SerialNumber=3

udev 规则：udev 用于处理设备添加或删除事件。它会监听内核的设备事件（如 add 或 remove），并根据 udev 规则执行相应的动作（如创建设备文件、设置权限等）。

例如，当插入一个 USB 存储设备时，udev 会在 /dev 目录下创建一个设备文件 /dev/sdb。可以使用 udevadm 工具来查询或调试 udev 规则。

udevadm info --name=/dev/sdb --query=all

4. 热插拔支持的设备类型

Linux 支持多种类型的 USB 设备的热插拔，包括但不限于以下几种：

USB 存储设备：如 U 盘、外部硬盘、SSD、闪存卡等。
USB 输入设备：如键盘、鼠标、游戏手柄、触摸屏等。
USB 音频设备：如 USB 音频接口、麦克风、耳机等。
USB 网络设备：如 USB 网络适配器、USB 无线网卡等。
USB 打印机：如 USB 打印机、扫描仪等外设。
USB 摄像头：如 USB 网络摄像头、USB 视频采集卡等。

三、Linux 下USB热插拔处理

3.1、 Linux下USB HUB的驱动的实现和分析

在系统初始化的时候在usb_init函数中调用usb_hub_init函数，就进入了hub的初始化。

在usb_hub_init函数中完成了注册hub驱动，并且利用函数kthread_run创建一个内核线程。该线程用来管理监视hub的状态，所有的情况都通过该线程来报告。

USB设备是热插拔，这就和PCI设备不同，PCI设备是在系统启动的时候都固定了，因此PCI设备只需要初始化进行枚举就可以了，采用递归算法即可。而USB设备需要热插拔，因此在hub_probe函数中调用hub_configure函数来配置hub，在这个函数中主要是利用函数usb_alloc_urb函数来分配一个urb，利用usb_fill_int_urb来初始化这个urb结构，包括hub的中断服务程序hub_irq的，查询的周期等。

每当有设备连接到USB接口时，USB总线在查询hub状态信息的时候会触发hub的中断服务程序hub_irq,在该函数中利用kick_khubd将hub结构通过event_list添加到khubd的队列hub_event_list，然后唤醒khubd。进入hub_events函数，该函数用来处理khubd事件队列，从khubd的hub_event_list中的每个usb_hub数据结构。该函数中首先判断hub是否出错，然后通过一个for循环来检测每个端口的状态信息。利用usb_port_status获取端口信息，如果发生变化就调用hub_port_connect_change函数来配置端口等。

3.2、软件层次分析

先讲讲USB热插拔事件的处理工作。---Khubd守护进程。

-Khubd守护进程它是一个守护进程，来检查usb port的事件通知HCD和usb core，然后做相应的处理。

驱动目录drivers/usb/*
usb/serial usb 串行设备驱动（例如usb 3G卡、蓝牙等）
usb/storage usb 大储量磁盘驱动（u盘）
usb/host usb host usb主机控制器驱动（嵌入式otg：dwc_otg）
usb/core usb 核心一些处理代码，所有的驱动相关处理都在这里，也都注册到它里面。
usb/usb-skeleton.c 经典的usb客户驱动框架。

...
下面贴出USB的整体驱动框架：

USB 驱动框架架构

+--------------------------------------------------+
|                用户空间 (User Space)             |
+--------------------------------------------------+
                |                         ^
                v                         |
+-------------------------+        +------------------+
|    libusb (用户空间库)    | <----> | 设备驱动程序接口  |
+-------------------------+        +------------------+
                |                         ^
                v                         |
+--------------------------------------------------+
|           USB 子系统 (USB Subsystem)             |
|  (usbcore, 驱动核心模块)                        |
+--------------------------------------------------+
                |                         ^
                v                         |
+-------------------------+        +-------------------+
|   USB 控制器驱动        | <----> |    USB HCD 驱动   |
|  (USB Host Controller   |        |  (Host Controller |
|   Driver)               |        |  Driver)          |
+-------------------------+        +-------------------+
                |                         ^
                v                         |
+--------------------------------------------------+
|   USB 设备驱动程序 (USB Device Drivers)         |
|  (针对不同类型设备的驱动，接口驱动等)           |
+--------------------------------------------------+

1. 用户空间 (User Space)

libusb：libusb 是一个用户空间库，用于通过 USB 接口与设备进行通信。它提供了一个跨平台的 API，允许用户空间程序与 USB 设备交互，不需要编写内核代码。

2. USB 子系统 (USB Subsystem)

usbcore：usbcore 是 Linux 内核中的 USB 驱动核心，负责 USB 设备的注册、连接管理和 USB 设备的发现。它为上层驱动提供了一些接口和功能，如设备枚举、设备识别、设备管理等。
设备驱动程序接口 (Driver Model)：Linux 内核的驱动模型（如 struct usb_driver）允许 USB 设备与 USB 驱动程序关联，处理设备的插拔、设备文件的创建等功能。

3. USB 主机控制器驱动 (USB Host Controller Driver, HCD)

HCD 驱动：负责与 USB 主机控制器进行通信。HCD 提供了一些硬件抽象层功能，管理 USB 总线的数据传输和主机控制器的操作。常见的 HCD 包括：
- EHCI：用于支持 USB 2.0 的主机控制器驱动。
- UHCI/OHCI：用于支持 USB 1.x 的主机控制器驱动。
- XHCI：用于支持 USB 3.x 的主机控制器驱动。

4. USB 设备驱动程序 (USB Device Drivers)

USB 设备驱动：这是针对不同 USB 设备的驱动程序，通常按照设备的类型和协议编写。根据设备的不同，驱动程序可以是：
- USB 存储设备驱动：如支持 USB 闪存、硬盘等存储设备。
- USB 网卡驱动：如支持 USB 网络适配器的驱动程序。
- USB 音频设备驱动：如支持 USB 音频设备（如麦克风、耳机等）。
- USB HID 驱动：支持 USB 输入设备（如键盘、鼠标等）。

5. 控制器层 (Host Controller)

USB 控制器驱动：与 USB 主机硬件交互的底层驱动程序，负责直接控制 USB 端口的电气信号、数据传输等。它是 USB 主机控制器的一部分，通常由硬件厂商提供并支持不同版本的 USB 规范（如 USB 2.0、USB 3.x）。

6. 设备管理和电源管理

USB 系统中的设备管理涉及到插拔事件的处理、设备的识别与分类、驱动的加载与卸载。
电源管理涉及到设备的挂起、唤醒、节能等策略，通常与 usbcore 及 usb_device 相关。

主要分析khub的工作原理：硬件层次是hub的工作，如何和host及其设备间通信及相应事件

drivers/usb/core/hub.c

int usb_hub_init(void)
{
	if (usb_register(&hub_driver) < 0) {
		printk(KERN_ERR "%s: can't register hub driver\n",
			usbcore_name);
		return -1;
	}

	/*
	 * The workqueue needs to be freezable to avoid interfering with
	 * USB-PERSIST port handover. Otherwise it might see that a full-speed
	 * device was gone before the EHCI controller had handed its port
	 * over to the companion full-speed controller.
	 */
	hub_wq = alloc_workqueue("usb_hub_wq", WQ_FREEZABLE, 0);
	if (hub_wq)
		return 0;

	/* Fall through if kernel_thread failed */
	usb_deregister(&hub_driver);
	pr_err("%s: can't allocate workqueue for usb hub\n", usbcore_name);

	return -1;
}

只关心alloc_workqueue("usb_hub_wq", WQ_FREEZABLE, 0);然后我们看alloc_workqueue函数。

kernel/workqueue.c


__printf(1, 4)
struct workqueue_struct *alloc_workqueue(const char *fmt,
					 unsigned int flags,
					 int max_active, ...)
{
	size_t tbl_size = 0;
	va_list args;
	struct workqueue_struct *wq;
	struct pool_workqueue *pwq;

	/*
	 * Unbound && max_active == 1 used to imply ordered, which is no
	 * longer the case on NUMA machines due to per-node pools.  While
	 * alloc_ordered_workqueue() is the right way to create an ordered
	 * workqueue, keep the previous behavior to avoid subtle breakages
	 * on NUMA.
	 */
	if ((flags & WQ_UNBOUND) && max_active == 1)
		flags |= __WQ_ORDERED;

	/* see the comment above the definition of WQ_POWER_EFFICIENT */
	if ((flags & WQ_POWER_EFFICIENT) && wq_power_efficient)
		flags |= WQ_UNBOUND;

	/* allocate wq and format name */
	if (flags & WQ_UNBOUND)
		tbl_size = nr_node_ids * sizeof(wq->numa_pwq_tbl[0]);

	wq = kzalloc(sizeof(*wq) + tbl_size, GFP_KERNEL);
	if (!wq)
		return NULL;

	if (flags & WQ_UNBOUND) {
		wq->unbound_attrs = alloc_workqueue_attrs();
		if (!wq->unbound_attrs)
			goto err_free_wq;
	}

	va_start(args, max_active);
	vsnprintf(wq->name, sizeof(wq->name), fmt, args);
	va_end(args);

	max_active = max_active ?: WQ_DFL_ACTIVE;
	max_active = wq_clamp_max_active(max_active, flags, wq->name);

	/* init wq */
	wq->flags = flags;
	wq->saved_max_active = max_active;
	mutex_init(&wq->mutex);
	atomic_set(&wq->nr_pwqs_to_flush, 0);
	INIT_LIST_HEAD(&wq->pwqs);
	INIT_LIST_HEAD(&wq->flusher_queue);
	INIT_LIST_HEAD(&wq->flusher_overflow);
	INIT_LIST_HEAD(&wq->maydays);

	wq_init_lockdep(wq);
	INIT_LIST_HEAD(&wq->list);

	if (alloc_and_link_pwqs(wq) < 0)
		goto err_unreg_lockdep;

	if (wq_online && init_rescuer(wq) < 0)
		goto err_destroy;

	if ((wq->flags & WQ_SYSFS) && workqueue_sysfs_register(wq))
		goto err_destroy;

	/*
	 * wq_pool_mutex protects global freeze state and workqueues list.
	 * Grab it, adjust max_active and add the new @wq to workqueues
	 * list.
	 */
	mutex_lock(&wq_pool_mutex);

	mutex_lock(&wq->mutex);
	for_each_pwq(pwq, wq)
		pwq_adjust_max_active(pwq);
	mutex_unlock(&wq->mutex);

	list_add_tail_rcu(&wq->list, &workqueues);

	mutex_unlock(&wq_pool_mutex);

	return wq;

err_unreg_lockdep:
	wq_unregister_lockdep(wq);
	wq_free_lockdep(wq);
err_free_wq:
	free_workqueue_attrs(wq->unbound_attrs);
	kfree(wq);
	return NULL;
err_destroy:
	destroy_workqueue(wq);
	return NULL;
}
EXPORT_SYMBOL_GPL(alloc_workqueue);

0：这是工作队列的其他参数，表示工作队列的大小为默认值（通常是动态分配的），没有指定具体的线程数。

7. 作用

调用 alloc_workqueue("usb_hub_wq", WQ_FREEZABLE, 0) 会创建一个名为 "usb_hub_wq" 的工作队列，该队列是一个 可冻结的 工作队列，通常在以下情况下用于 USB hub 相关的任务：

USB hub 设备的异步操作：对于 USB hub，特别是涉及多个 USB 设备的操作，很多任务是异步的，需要延迟执行。比如处理 USB 设备的插拔事件、设备的状态监控、检测 USB 端口的变化等，这些操作可以通过工作队列来异步处理，避免在内核中直接进行可能导致阻塞的操作。
避免阻塞内核主线程：通过使用工作队列，可以将处理这些任务的操作从内核主线程（如硬中断或软中断）中分离出来，从而避免阻塞重要的内核任务，保持系统的响应性。
节省系统资源：在需要执行某些低优先级任务时，可以将它们放入工作队列，延迟执行。这样在系统负载较轻时才处理这些任务，从而平衡系统资源。
支持设备休眠/挂起：由于使用了 WQ_FREEZABLE 标志，这意味着如果系统或设备需要进入低功耗模式（比如待机或挂起），这个工作队列中的任务会被暂停，直到系统恢复正常工作。这对于管理 USB 设备的电源管理非常重要。

8.典型应用场景

在 USB hub 驱动中，工作队列通常用于处理一些需要延迟或在特定条件下执行的任务。例如：

在 USB hub 上检测到新的设备插入时，可能会创建一个工作任务来处理设备的初始化，这个任务会推迟到工作队列中异步执行。
在 USB hub 设备的状态发生变化时，可能会创建工作任务来更新设备状态或执行其他操作。
USB hub 需要处理设备的断开事件时，可能会通过工作队列来处理设备的移除操作。

四、USB的枚举过程

内核辅助线程khubd用来监视与该集线器连接的所有端口，通常情况下，该线程处于休眠状态，当集线器驱动程序检测到USB端口状态变化后，该内核线程立马唤醒。

USB的枚举过程：USB的枚举过程是热插拔USB设备的起始步骤，该过程中，主机控制器获取设备的相关信息并配置好设备，集线器驱动程序负责该枚举过程。

枚举过程主要分如下几步：

1. 设备连接和主机检测

当 USB 设备插入计算机的 USB 端口时，USB 主机控制器（Host Controller）会检测到新设备的插入，并触发一个硬件中断。
主机控制器将发出一个 USB 插拔事件，该事件会通知内核进行进一步处理。

2. 设备初始化和设备树

内核收到插拔事件后，调用 USB 子系统的代码（usbcore），开始处理该事件。内核首先通过 设备树（Device Tree）或 PCI 总线（如果是内建主机控制器）将 USB 主机控制器与 USB 设备进行关联。
内核会为新插入的设备分配一个唯一的设备标识符（Device ID），并通过设备编号来管理 USB 总线上的所有设备。

3. USB 设备描述符获取

内核通过 USB 控制传输 请求设备的 描述符（Descriptor）。这些描述符包含了设备的基本信息，例如设备类型、设备版本、厂商 ID、产品 ID、类代码、协议等。描述符有多个类型：
- 设备描述符：包含设备的基本信息（如厂商、产品、版本等）。
- 配置描述符：描述设备的配置（包括接口、端点等）。
- 接口描述符：描述设备的接口信息。
- 端点描述符：描述设备的数据传输端点信息（如输入/输出端点）。

这一步是通过 控制传输 的方式进行的，USB 主机控制器会将设备描述符传回。

4. 设备地址分配

在获取设备描述符之后，主机分配一个 唯一地址（USB 地址）给新连接的设备。USB 设备地址通常是一个 7 位数值，从 1 开始递增，最多可分配到 127。
这个设备地址是在 设备枚举的早期阶段 由主机控制器分配的，以便后续对设备进行识别和管理。

5. 配置设备

当设备描述符被成功读取并且设备地址已分配后，内核会根据设备提供的配置描述符来选择一个合适的配置。这一过程被称为 设备配置。
在 USB 设备可以有多个配置（每个配置可能有不同的功能），主机会选择一个默认配置，通常是第一个配置。如果设备有多个接口和端点，内核会相应地分配资源。

设备配置过程可能涉及选择接口，选择传输端点，配置数据传输协议等。每个接口可以包含多个端点（例如输入端点和输出端点）。

6. 加载适配驱动

在设备成功配置后，内核根据设备的 类代码（Device Class）来判断该设备需要哪个驱动程序。驱动程序可能已经预先加载，或者在设备连接时按需加载。
驱动程序通过设备的 接口描述符 和 端点描述符 来初始化设备的通讯协议，设置设备的功能。
如果设备的驱动程序未预先加载，内核将会触发模块加载器（modprobe）来自动加载相应的设备驱动模块。

驱动程序通常是通过内核中的 USB 设备驱动程序框架（如 usb-storage、usbhid、usb-net 等）提供的。内核会根据设备的描述符匹配并绑定到相应的驱动程序。

7. 设备就绪

一旦驱动程序加载完成并与设备成功通信，设备就被认为已准备好，可以供用户空间程序访问了。
内核会创建相应的 设备节点（如 /dev/ttyUSB0、/dev/sda、/dev/input/event0 等），用户空间程序可以通过这些节点与 USB 设备进行交互。

此时，USB 设备已经完全初始化并处于可用状态，用户可以通过标准的文件操作接口访问设备，或者通过应用程序与设备进行数据交互。

Linux USB 枚举过程 的简化流程图：

+----------------------+
|  设备连接到主机       |
|  (USB 插拔事件触发)   |
+----------------------+
           |
           v
+----------------------+
|  主机控制器检测到新设备 |
|  (硬件中断触发)       |
+----------------------+
           |
           v
+----------------------+
|  内核收到插拔事件     |
|  (调用 usbcore 处理) |
+----------------------+
           |
           v
+----------------------+
|  主机控制器分配设备地址|
|  (如地址 1 到 127)    |
+----------------------+
           |
           v
+----------------------+
|  发送控制传输请求     |
|  (请求设备描述符)     |
+----------------------+
           |
           v
+----------------------+
|  获取设备描述符       |
|  (设备 ID, 类代码等)  |
+----------------------+
           |
           v
+----------------------+
|  发送控制传输请求     |
|  (请求配置描述符)     |
+----------------------+
           |
           v
+----------------------+
|  获取配置描述符       |
|  (配置, 接口, 端点)   |
+----------------------+
           |
           v
+----------------------+
|  配置设备             |
|  (选择配置, 接口等)   |
+----------------------+
           |
           v
+----------------------+
|  驱动程序匹配和加载   |
|  (根据类代码选择驱动) |
+----------------------+
           |
           v
+----------------------+
|  设备初始化完成       |
|  (设备节点创建)       |
+----------------------+
           |
           v
+----------------------+
|  设备可用             |
|  (用户空间访问)       |
+----------------------+