本文详细阐述了 Linux USB 子系统的三大架构：主机驱动、设备驱动和 Gadget 驱动。内容包括主机控制器类型、USB 核心层功能、URB 管理机制、设备枚举流程、关键数据结构定义以及 ConfigFS 配置接口。此外还总结了开发实践建议与调试技巧，旨在帮助开发者深入理解分层机制，掌握高质量 USB 驱动的开发与调试方法。
Linux USB 子系统是 Linux 内核中最复杂的子系统之一，它支持 USB 主机模式、设备模式和 OTG 模式。USB 驱动架构分为三个主要部分：USB 主机驱动、USB 设备驱动和 USB Gadget 驱动。本文将深入分析这三个部分的工作原理和实现机制。
USB 主机控制器（Host Controller Device, HCD）是 USB 主机侧的核心组件，负责管理 USB 总线上的所有通信。Linux 内核支持多种类型的 USB 主机控制器：
USB 主机驱动采用分层架构：
USB 设备驱动层 ↓ USB 核心层 (USB Core) ↓ 主机控制器驱动层 (HCD) ↓ 硬件层
USB Core 是 USB 子系统的核心，提供以下功能：
USB Request Block (URB) 是 USB 通信的基本单元：
struct urb {
struct kref kref; /* 引用计数 */
void *hcpriv; /* HCD 私有数据 */
struct list_head urb_list; /* URB 链表 */
struct usb_device *dev; /* 目标设备 */
unsigned int pipe; /* 管道信息 */
int status; /* URB 状态 */
unsigned int transfer_flags; /* 传输标志 */
void *transfer_buffer; /* 传输缓冲区 */
dma_addr_t transfer_dma; /* DMA 地址 */
int transfer_buffer_length; /* 缓冲区长度 */
int actual_length; /* 实际传输长度 */
unsigned char *setup_packet; /* 控制传输设置包 */
int start_frame; /* 等时传输起始帧 */
int number_of_packets; /* 等时传输包数量 */
int interval; /* 中断传输间隔 */
int error_count; /* 错误计数 */
void *context; /* 完成回调上下文 */
usb_complete_t complete; /* 完成回调函数 */
/* ... 其他字段 */
};
USB Core 通过以下方式匹配设备和驱动：
以 xHCI 驱动为例，HCD 驱动需要实现以下关键函数：
static const struct hc_driver xhci_hc_driver = {
.description = "xhci-hcd",
.product_desc = "xHCI Host Controller",
.hcd_priv_size = sizeof(struct xhci_hcd),
/* 基本生命周期操作 */
.reset = xhci_reset,
.start = xhci_run,
.stop = xhci_stop,
.shutdown = xhci_shutdown,
/* URB 管理 */
.urb_enqueue = xhci_urb_enqueue,
.urb_dequeue = xhci_urb_dequeue,
/* 端点管理 */
.endpoint_disable = xhci_endpoint_disable,
.endpoint_reset = xhci_endpoint_reset,
/* 根 Hub 管理 */
.hub_status_data = xhci_hub_status_data,
.hub_control = xhci_hub_control,
/* 设备管理 */
.alloc_dev = xhci_alloc_dev,
.free_dev = xhci_free_dev,
/* 其他必要函数 */
.get_frame_number = xhci_get_frame_number,
.irq = xhci_irq,
};
USB 设备采用树形层次结构：
USB 设备 (Device)
├── 配置 (Configuration)
│ ├── 接口 (Interface)
│ │ ├── 端点 (Endpoint)
│ │ ├── 端点 (Endpoint)
│ │ └── ...
│ ├── 接口 (Interface)
│ └── ...
└── ...
struct usb_device_descriptor {
__u8 bLength; /* 描述符长度 */
__u8 bDescriptorType; /* 描述符类型 */
__le16 bcdUSB; /* USB 版本号 */
__u8 bDeviceClass; /* 设备类别 */
__u8 bDeviceSubClass; /* 设备子类别 */
__u8 bDeviceProtocol; /* 设备协议 */
__u8 bMaxPacketSize0; /* 端点 0 最大包大小 */
__le16 idVendor; /* 厂商 ID */
__le16 idProduct; /* 产品 ID */
__le16 bcdDevice; /* 设备版本号 */
__u8 iManufacturer; /* 厂商字符串索引 */
__u8 iProduct; /* 产品字符串索引 */
__u8 iSerialNumber; /* 序列数字符串索引 */
__u8 bNumConfigurations;/* 配置数量 */
} __attribute__((packed));
struct usb_interface_descriptor {
__u8 bLength; /* 描述符长度 */
__u8 bDescriptorType; /* 描述符类型 */
__u8 bInterfaceNumber; /* 接口编号 */
__u8 bAlternateSetting; /* 备用设置 */
__u8 bNumEndpoints; /* 端点数量 */
__u8 bInterfaceClass; /* 接口类别 */
__u8 bInterfaceSubClass;/* 接口子类别 */
__u8 bInterfaceProtocol;/* 接口协议 */
__u8 iInterface; /* 接口字符串索引 */
} __attribute__((packed));
struct usb_endpoint_descriptor {
__u8 bLength; /* 描述符长度 */
__u8 bDescriptorType; /* 描述符类型 */
__u8 bEndpointAddress; /* 端点地址 */
__u8 bmAttributes; /* 端点属性 */
__le16 wMaxPacketSize; /* 最大包大小 */
__u8 bInterval; /* 轮询间隔 */
/* USB 3.0 扩展字段 */
__u8 bRefresh;
__u8 bSynchAddress;
} __attribute__((packed));
struct usb_driver {
const char *name; /* 驱动名称 */
/* 当设备匹配成功时调用 */
int (*probe)(struct usb_interface *intf, const struct usb_device_id *id);
/* 设备断开时调用 */
void (*disconnect)(struct usb_interface *intf);
/* 设备挂起时调用 */
int (*suspend)(struct usb_interface *intf, pm_message_t message);
/* 设备恢复时调用 */
int (*resume)(struct usb_interface *intf);
/* 设备重置前调用 */
int (*pre_reset)(struct usb_interface *intf);
/* 设备重置后调用 */
int (*post_reset)(struct usb_interface *intf);
/* 设备 ID 表 */
const struct usb_device_id *id_table;
/* 其他字段 */
struct usbdrv_wrap drvwrap;
unsigned int no_dynamic_id:1;
unsigned int supports_autosuspend:1;
unsigned int disable_hub_initiated_lpm:1;
/* 设备组 */
const struct attribute_group **dev_groups;
};
struct usb_device_id {
__u16 match_flags; /* 匹配标志 */
__u16 idVendor; /* 厂商 ID */
__u16 idProduct; /* 产品 ID */
__u16 bcdDevice_lo; /* 设备版本号下限 */
__u16 bcdDevice_hi; /* 设备版本号上限 */
__u8 bDeviceClass; /* 设备类别 */
__u8 bDeviceSubClass; /* 设备子类别 */
__u8 bDeviceProtocol; /* 设备协议 */
__u8 bInterfaceClass; /* 接口类别 */
__u8 bInterfaceSubClass;/* 接口子类别 */
__u8 bInterfaceProtocol;/* 接口协议 */
__u8 bInterfaceNumber; /* 接口编号 */
kernel_ulong_t driver_info; /* 驱动私有信息 */
};
USB 设备枚举是 USB Core 自动完成的复杂过程：
/* 设备添加 */
int usb_new_device(struct usb_device *udev);
/* 设备配置 */
int usb_configure_device(struct usb_device *udev);
/* 接口驱动匹配 */
int usb_probe_interface(struct usb_interface *intf);
USB Gadget 驱动使 Linux 系统能够作为 USB 设备工作，其架构分为多层：
Gadget Function 驱动层 ↓ Composite 层 (可选) ↓ Gadget Function API 层 ↓ UDC (USB Device Controller) 驱动层 ↓ 硬件层
USB Device Controller (UDC) 驱动直接控制 USB 设备控制器硬件：
struct usb_gadget {
const struct usb_gadget_ops *ops; /* 操作函数 */
struct usb_ep *ep0; /* 端点 0 */
struct list_head ep_list; /* 端点链表 */
enum usb_device_speed speed; /* 当前速度 */
enum usb_device_speed max_speed; /* 最大速度 */
unsigned int is_dualspeed:1; /* 是否支持双速 */
unsigned int is_otg:1; /* 是否支持 OTG */
unsigned int is_a_peripheral:1; /* 是否为 A 设备外设 */
unsigned int b_hnp_enable:1; /* B 设备 HNP 使能 */
unsigned int a_hnp_support:1; /* A 设备 HNP 支持 */
unsigned int a_alt_hnp_support:1; /* A 设备备用 HNP 支持 */
const char *name; /* 控制器名称 */
struct device *dev; /* 设备结构 */
};
struct usb_gadget_ops {
int (*get_frame)(struct usb_gadget *gadget);
int (*wakeup)(struct usb_gadget *gadget);
int (*set_selfpowered)(struct usb_gadget *gadget, int is_selfpowered);
int (*vbus_session)(struct usb_gadget *gadget, int is_active);
int (*vbus_draw)(struct usb_gadget *gadget, unsigned mA);
int (*pullup)(struct usb_gadget *gadget, int is_on);
int (*ioctl)(struct usb_gadget *gadget, unsigned code, unsigned long param);
};
Gadget Function 驱动实现具体的 USB 设备功能：
struct usb_function {
const char *name; /* 功能名称 */
struct usb_gadget_strings **strings; /* 字符串描述符 */
struct usb_descriptor_header **descriptors; /* 描述符 */
struct usb_descriptor_header **hs_descriptors; /* 高速描述符 */
struct usb_descriptor_header **ss_descriptors; /* 超高速描述符 */
/* 配置管理 */
int (*bind)(struct usb_configuration *, struct usb_function *);
void (*unbind)(struct usb_configuration *, struct usb_function *);
/* 接口管理 */
int (*set_alt)(struct usb_function *, unsigned interface, unsigned alt);
int (*get_alt)(struct usb_function *, unsigned interface);
void (*disable)(struct usb_function *);
/* USB 请求处理 */
int (*setup)(struct usb_function *, const struct usb_ctrlrequest *);
void (*suspend)(struct usb_function *);
void (*resume)(struct usb_function *);
/* 其他字段 */
struct usb_configuration *config;
struct list_head list;
struct usb_ep *ep0;
struct list_head ep_list;
};
Composite 框架支持将多个 Function 组合成一个复合设备：
struct usb_composite_driver {
const char *name; /* 驱动名称 */
const struct usb_device_descriptor *dev; /* 设备描述符 */
struct usb_gadget_strings **strings;/* 字符串描述符 */
/* 生命周期管理 */
int (*bind)(struct usb_composite_dev *cdev);
int (*unbind)(struct usb_composite_dev *cdev);
/* 挂起和恢复 */
void (*suspend)(struct usb_composite_dev *cdev);
void (*resume)(struct usb_composite_dev *cdev);
/* USB 请求处理 */
int (*setup)(struct usb_composite_dev *cdev, const struct usb_ctrlrequest *ctrl);
/* 其他字段 */
struct usb_gadget_driver gadget_driver;
unsigned needs_serial:1;
unsigned max_speed:4;
};
ConfigFS 提供了用户空间配置 Gadget 的接口：
# 创建 Gadget 配置
mkdir /sys/kernel/config/usb_gadget/g1
cd /sys/kernel/config/usb_gadget/g1
# 设置设备描述符
echo 0x18d1 > idVendor # Google
echo 0x4e11 > idProduct # Nexus 4
# 创建配置
mkdir configs/c.1
echo 120 > configs/c.1/MaxPower
# 创建功能
mkdir functions/mass_storage.usb0
mkdir functions/acm.usb1
# 绑定功能到配置
ln -s functions/mass_storage.usb0 configs/c.1/
ln -s functions/acm.usb1 configs/c.1/
# 绑定到 UDC
echo "musb-hdrc.0.auto" > UDC
usb_device
├── usb_device_descriptor
├── usb_config
│ ├── usb_configuration
│ └── usb_interface
│ ├── usb_interface_descriptor
│ └── usb_host_endpoint
│ └── usb_endpoint_descriptor
└── usb_host_endpoint (ep0)
| 内核结构 | USB 规范 | 作用 |
|---|---|---|
| usb_device | Device | 表示整个 USB 设备 |
| usb_interface | Interface | 表示设备的一个功能接口 |
| usb_host_endpoint | Endpoint | 表示数据传输的端点 |
| urb | Transfer | 表示一次 USB 传输 |
| usb_gadget | Device | Gadget 模式下的设备表示 |
| usb_function | Function | Gadget 模式下的功能模块 |
| 特性 | 主机模式 | 设备模式 (Gadget) |
|---|---|---|
| 控制器驱动 | HCD 驱动 | UDC 驱动 |
| 设备驱动 | USB 设备驱动 | Function 驱动 |
| 枚举过程 | 自动枚举 | 手动配置 |
| 复合设备 | 自动识别 | Composite 框架 |
| 配置接口 | 内核内部 | ConfigFS |
lsusb -v 命令获取设备详细信息Linux USB 驱动架构是一个高度模块化和分层的系统，通过清晰的接口定义实现了主机和设备模式的统一管理。理解 USB 协议规范、掌握核心数据结构、熟悉驱动框架是开发高质量 USB 驱动的关键。随着 USB 技术的不断发展，新的 USB 标准和功能不断涌现，开发者需要持续学习和跟进最新的技术趋势。
USB 驱动开发涉及硬件协议、内核编程、设备管理等多个方面，需要开发者具备扎实的理论基础和丰富的实践经验。通过深入理解本文介绍的架构原理和实现机制，开发者可以更好地开发和调试 USB 驱动程序。
微信公众号「极客日志」，在微信中扫描左侧二维码关注。展示文案：极客日志 zeeklog
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将 HTML 片段转为 GitHub Flavored Markdown，支持标题、列表、链接、代码块与表格等；浏览器内处理，可链接预填。 在线工具，HTML 转 Markdown在线工具，online
通过删除不必要的空白来缩小和压缩JSON。 在线工具，JSON 压缩在线工具，online
将JSON字符串修饰为友好的可读格式。 在线工具，JSON美化和格式化在线工具，online