Linux中USB驱动程序依然遵循标准的设备驱动模型——总线、设备、驱动。和I2C总线设备驱动一样，所有的USB驱动程序都必须创建的主要结构体是struct usb_driver，它们向USB核心代码描述了USB驱动程序，但这只是外壳，只实现了设备与总线的挂接，具体的USB设备是什么，如何实现，还需要编写相应的文件操作接口。本文详细介绍USB的驱动框架。

一. USB设备基础知识

1.1 USB设备的配置与传输类型

USB设备在接入系统时，以设备ID为0和主机通信，然后主机为其分配新的ID。在主机端，D+、D-都是下拉接地，设备端的D-接上拉时，表明此设备为全速设备(12Mbps)，D+接上拉时为高速设备(480Mbps)。PC中的USB下拉电阻为15K，而设备中D+和D-则是1.5K上拉电阻。

USB是主从结构，并且是树形结构，在一个USB总线上的所有设备只有一个主机。所有的传输都是由主机发起的，即USB设备没有主动通知USB主机的能力。

USB有四种传输类型：

控制传输：最重要的也是最复杂的传输，控制传输由三个阶段构成（初始配置阶段、可选数据阶段、状态信息步骤），每一个阶段能够看成一个的传输，也就是说控制传输其实是由三个传输构成的，用来于USB设备初次加接到主机之后，主机通过控制传输来交换信息，设备地址和读取设备的描述符，使得主机识别设备，并安装相应的驱动程式，这是每一个USB研发者都要关心的问题。

批量传输：由OUT事务和IN事务构成，用于大容量数据传输，没有固定的传输速率，也不占用带宽，当总线忙时，USB会优先进行其他类型的数据传输，而暂时停止批量转输。例：U盘。

中断传输：由OUT事务和IN事务构成，用于键盘、鼠标等HID设备的数据传输中;

同步传输：由OUT事务和IN事务构成，有两个特别地方，第一，在同步传输的IN和OUT事务中是没有返回包阶段的；第二，在数据包阶段任何的数据包都为DATA0;

USB数据的传输都是在称之为“端点”的对象之间进行的，端点0用于控制传输，可双向传输，除了端点0其他每个端点都是单向传输数据。

OTG协议：OTG设备采用Mini-AB插座，相对于传统的USB数据线，Mini-AB接口多了一个数据线ID，ID线是否接入将Mini-AB接口区分为Mini-A和Mini-B接口两种类型。在OTG设备之间的数据连接过程中，通过OTG数据线Mini-A和Mini-B接口来确定OTG设备的主从：接入Mini-A接口的设备默认为A设备(主机接口)；接Mini-B接口的设备默认为B设备(从设备)。

1.2 USB驱动程序框架

USB驱动程序的框架可描述如图1-1所示：

一个USB设备驱动程序由一些配置、接口和端点组成。一个USB设备可以包含一个或多个配置，每个配置可包含一个或多个接口，在每个接口中可含有若干各端点。这些单元之间的关系如图1-2所示：

二. USB驱动中的描述符

1.1 设备描述符

设备代表一个USB设备，由一个或多个配置组成。设备描述符用于说明设备的总体信息，并指明配置的个数，一个设备只能有一个设备描述符。

struct usb_device_descriptor {__u8  bLength;         //设备描述符字节长度__u8  bDescriptorType;       //设备描述符类型__le16 bcdUSB;         //USB版本号__u8  bDeviceClass;     //接口描述符的类__u8  bDeviceSubClass;     //接口描述符的子类__u8  bDeviceProtocol;        //接口描述符的协议__u8  bMaxPacketSize0;        //端点0可以支持的最大包的长度__le16 idVendor;        //Vendor ID__le16 idProduct;        //Product ID__le16 bcdDevice;       //设备版本__u8  iManufacturer;      //字符串描述符生产商索引__u8  iProduct;        //字符串描述符产品索引__u8  iSerialNumber;        //字符串描述符设备串行号索引__u8  bNumConfigurations;    //配置编号
} __attribute__ ((packed));

1.2 配置描述符

每个设备都有默认的配置描述符，支持至少一个接。配置描述符用于说明USB设备中各个配置的特性，如配置所包含的接口个数等。描述符结构定义如下：

struct usb_config_descriptor {__u8  bLength;         //配置描述符长度__u8  bDescriptorType;     //配置描述符类型__le16 wTotalLength;       //配置返回数据的总长度__u8  bNumInterfaces;       //配置支持接口数目__u8  bConfigurationValue;    //设置配置请求值__u8  iConfiguration;      //描述配置的字符串描述符的索引__u8  bmAttributes;     //配置特性，供电选择__u8  bMaxPower;      //从USB总线上获取的最大电流
} __attribute__ ((packed));

1.3 接口描述符

设备应该至少支持一个接口。接口时端点的集合，可以包含一个或多个可替换设置，用户能够在USB处于配置状态时改变当前接口包含的个数和特性。接口描述符结构定义如下：

struct usb_interface_descriptor {__u8  bLength;          //接口描述符长度__u8  bDescriptorType;     //接口描述符类型__u8  bInterfaceNumber;        //接口数量__u8  bAlternateSetting;  //备用的接口描述符编号__u8  bNumEndpoints;        //该接口使用的端点数量，不包括端点0__u8  bInterfaceClass;        //接口类__u8  bInterfaceSubClass;  //接口子类__u8  bInterfaceProtocol; //接口协议__u8  iInterface;     //描述该接口的字符串索引
} __attribute__ ((packed));

1.4 端点描述符

端点是USB设备实际传输数据的对象，利用设备地址、端点号和传输方向可以指定一个端点，并与之进行通信。0号端点包含输入IN和输出OUT连个物理单元，且只支持控制传输。0号端点在设备上电后就能使用，而非0号端点必须要在配置以后才可以使用。

根据具体应用的需要，USB设备可以包含有除0号端口以外的其它端口，对于低速设备，其附加的端点数最多为2个，对于全速、高速设备，其附加的端点最多为15个。

struct usb_endpoint_descriptor {__u8  bLength;           //端点描述符长度__u8  bDescriptorType;     //端点描述符类型__u8  bEndpointAddress;        //端点地址：0~3位是端点编号，第7位是方向(0-OUT,1-IN)__u8  bmAttributes;        //端点属性：bit[1:0]的值为00-控制，01-同步，02-批量，03-中断__le16 wMaxPacketSize;     //本端点接收或发送的最大信息包大小__u8  bInterval;      //轮询数据传送端点的时间间隔/* NOTE:  these two are _only_ in audio endpoints. *//* use USB_DT_ENDPOINT*_SIZE in bLength, not sizeof. */__u8  bRefresh;__u8  bSynchAddress;
} __attribute__ ((packed));

1.5 字符串描述符

在USB设备中通常包含字符串描述符，如制造商名称、设备序列号等。字符串描述符结构如下：

struct usb_string_descriptor {__u8  bLength;         //字符串描述符长度__u8  bDescriptorType;        //描述符类型__le16 wData[1];     /* UTF-16LE encoded */
} __attribute__ ((packed));

三. 搭建驱动框架

3.1 注册USB驱动程序

USB设备的注册与卸载程序如下：

static int __init usb_skel_init(void)
{     int result;     /* register this driver with the USB subsystem */     result = usb_register(&skel_driver);     if (result)     err("usb_register failed. Error number %d", result);     return result;
}
static void __exit usb_skel_exit(void)
{     /* deregister this driver with the USB subsystem */     usb_deregister(&skel_driver);
}     module_init (usb_skel_init);
module_exit (usb_skel_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");

对比I2C的设备驱动，它们非常相似。skel_driver是struct usb_driver类型结构体，我们需要实现其成员函数：

struct usb_driver {const char *name;int (*probe) (struct usb_interface *intf, const struct usb_device_id *id);void (*disconnect) (struct usb_interface *intf);int (*unlocked_ioctl) (struct usb_interface *intf, unsigned int code, void *buf);int (*suspend) (struct usb_interface *intf, pm_message_t message);int (*resume) (struct usb_interface *intf);int (*reset_resume)(struct usb_interface *intf);int (*pre_reset)(struct usb_interface *intf);int (*post_reset)(struct usb_interface *intf);const struct usb_device_id *id_table;struct usb_dynids dynids;struct usbdrv_wrap drvwrap;unsigned int no_dynamic_id:1;unsigned int supports_autosuspend:1;unsigned int disable_hub_initiated_lpm:1;unsigned int soft_unbind:1;
};

初始化usb_driver至少需要实现五个字段：模块所有者、模块名字、probe函数、disconnect函数以及id_table。

id_table是struct usb_device_id类型，包括一列该驱动程序可以支持的所有不同类型的USB设备。如果没有设置该变量，USB驱动程序中的探测(probe)函数将不会被调用。

首先看看usb_device_id结构体的定义：

struct usb_device_id {/* which fields to match against? */__u16      match_flags;/* Used for product specific matches; range is inclusive */__u16        idVendor;__u16      idProduct;__u16     bcdDevice_lo;__u16      bcdDevice_hi;/* Used for device class matches */__u8        bDeviceClass;__u8       bDeviceSubClass;__u8        bDeviceProtocol;/* Used for interface class matches */__u8      bInterfaceClass;__u8        bInterfaceSubClass;__u8     bInterfaceProtocol;/* Used for vendor-specific interface matches */__u8     bInterfaceNumber;/* not matched against */kernel_ulong_t    driver_info__attribute__((aligned(sizeof(kernel_ulong_t))));
};

USB系统通过vendor ID和Product ID的组合或者class和subclass的组合来识别设备，可以使用USB_DEVICE宏来定义这个ID：

#define USB_DEVICE(vend, prod) \.match_flags = USB_DEVICE_ID_MATCH_DEVICE, \.idVendor = (vend), \.idProduct = (prod)

例如：

static struct usb_device_id skel_table[]={{USB_DEVICE(USB_SKEL_VENDOR_ID, USB_SKEL_PRODUCT_ID)},{}
};
MODULE_DEVICE_TABLE(usb, skel_table);

MODULE_DEVICE_TABLE宏第一个参数是设备类型，第二个是设备表，这个设备表的最后一个元素是空的，用于标识结束。

当USB设备连接到USB控制器接口时，usb_core就检测该设备的一些信息，例如生成厂商ID和产品的ID，或者是设备所属的class,subclass根protocol，以便确定应该调用哪个驱动处理该设备。

3.2 几个重要的数据结构

usb_skel：用于与端点进行通信，定义如下：

struct usb_skel {struct usb_device   *udev;              /* the usb device for this device */struct usb_interface    *interface;         /* the interface for this device */struct semaphore limit_sem;          /* limiting the number of writes in progress */struct usb_anchor    submitted;          /* in case we need to retract our submissions */struct urb          *bulk_in_urb;       /* the urb to read data with */unsigned char            *bulk_in_buffer;    /* the buffer to receive data */size_t              bulk_in_size;       /* the size of the receive buffer */size_t              bulk_in_filled;     /* number of bytes in the buffer */size_t               bulk_in_copied;     /* already copied to user space */__u8              bulk_in_endpointAddr;   /* the address of the bulk in endpoint */__u8               bulk_out_endpointAddr;  /* the address of the bulk out endpoint */int                   errors;     /* the last request tanked */bool               ongoing_read;       /* a read is going on */spinlock_t          err_lock;       /* lock for errors */struct kref            kref;struct mutex           io_mutex;       /* synchronize I/O with disconnect */wait_queue_head_t  bulk_in_wait;           /* to wait for an ongoing read */
};

主要属性：

描述usb设备的结构体：udev

一个结构：interface

用于并发访问控制的信号量：limit_sem

用于接收数据的缓冲：bulk_in_buffer

用于接收数据的缓冲尺寸：bulk_in_size

批量数据端口地址：bulk_in_endpointAddr

批量输出端口地址：bulk_out_endpointAddr

usb_interface: usb接口数据结构：

struct usb_interface {struct usb_host_interface *altsetting;struct usb_host_interface *cur_altsetting;   /* the currently * active alternate setting */unsigned num_altsetting;  /* number of alternate settings */int minor;            /* minor number this interface is * bound to */enum usb_interface_condition condition;      /* state of binding */unsigned sysfs_files_created:1;   /* the sysfs attributes exist */unsigned ep_devs_created:1; /* endpoint "devices" exist */unsigned unregistering:1;   /* unregistration is in progress */unsigned needs_remote_wakeup:1;  /* driver requires remote wakeup */unsigned needs_altsetting0:1;    /* switch to altsetting 0 is pending */unsigned needs_binding:1;    /* needs delayed unbind/rebind */unsigned reset_running:1;unsigned resetting_device:1;  /* true: bandwidth alloc after reset */struct device dev;       /* interface specific device info */struct device *usb_dev;atomic_t pm_usage_cnt;       /* usage counter for autosuspend */struct work_struct reset_ws; /* for resets in atomic context */
};

usb_hgost_endpoint: usb端点数据结构

struct usb_host_endpoint {struct usb_endpoint_descriptor     desc;struct usb_ss_ep_comp_descriptor   ss_ep_comp;struct list_head     urb_list;void               *hcpriv;struct ep_device        *ep_dev;    /* For sysfs info */unsigned char *extra;   /* Extra descriptors */int extralen;int enabled;int streams;
};

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