USB協(xié)議架構(gòu)及驅(qū)動(dòng)架構(gòu)

USB數(shù)據(jù)傳輸都以URB(USB Request Block)請(qǐng)求、URB生成、URB遞交、URB釋放為主線。從上圖可知，當(dāng)加載控制器驅(qū)動(dòng)之后，注冊(cè)根據(jù)集線器，hub和hcd驅(qū)動(dòng)成為一個(gè)整體。接著，主機(jī)通過控制傳輸獲取設(shè)備的控制描述符等信息，接著詳述整個(gè)控制傳輸?shù)牧鞒獭sb_submit_urb依據(jù)是否連接到根集線器來決定調(diào)用urb_enqueue或rh_urb_enqueue函數(shù)。
USB從設(shè)備通過集線器或根集線器連接到USB主機(jī)上。比如：主機(jī)通過根集線器與外界進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，根集線器通過探測數(shù)據(jù)線狀態(tài)的變化來通知USB主機(jī)是否有USB外圍設(shè)備接入。

在主機(jī)端控制器驅(qū)動(dòng)加載的過程中，注冊(cè)了根集線器，然后匹配了相應(yīng)的hub驅(qū)動(dòng)程序，同時(shí)完成了對(duì)Hub的輪詢函數(shù)和狀態(tài)處理函數(shù)的設(shè)置。這樣，一旦hub集線器的狀態(tài)發(fā)生變化，就會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的中斷，主機(jī)端控制器就會(huì)執(zhí)行相應(yīng)的中斷處理函數(shù)，下圖為hub驅(qū)動(dòng)程序的流程圖。

USB Core中的usb_init()函數(shù)中完成了對(duì)hub線程(khubd，在usb_hub_init函數(shù)中真正地創(chuàng)建)的創(chuàng)建，然后完成相應(yīng)設(shè)備的探測。主機(jī)端控制器驅(qū)動(dòng)進(jìn)行探測時(shí)，將hub驅(qū)動(dòng)和主機(jī)端控制器驅(qū)動(dòng)結(jié)合在一起，相互之間完成調(diào)用。 相對(duì)于大容量存儲(chǔ)設(shè)備與主機(jī)之間通過控制/批量傳輸，集線器與主機(jī)之間通過中斷/控制方式完成數(shù)據(jù)交互。

3.2 USB設(shè)備端驅(qū)動(dòng)

從上圖可知，設(shè)備端驅(qū)動(dòng)包含兩部分：
1) 底層設(shè)備控制器驅(qū)動(dòng)
2) 上層大容量存儲(chǔ)類驅(qū)動(dòng)

3.2.1 設(shè)備控制器驅(qū)動(dòng)

USB設(shè)備控制器驅(qū)動(dòng)主要實(shí)現(xiàn)Gadget API定義的函數(shù)和中斷服務(wù)函數(shù)，可按功能劃分為：API函數(shù)實(shí)現(xiàn)模塊和中斷處理模塊。
API函數(shù)主要實(shí)現(xiàn)Gadget API定義的函數(shù)功能，如結(jié)構(gòu)體usb_ep_ops和usb_gadget_ops中的函數(shù)、usb_gadget_register_driver函數(shù)。這些函數(shù)是供Gadget Driver調(diào)用。
中斷處理模塊主要處理設(shè)備控制器產(chǎn)生的各種中斷，包括端點(diǎn)中斷、復(fù)位、掛起等中斷。

上圖為設(shè)備端控制器基本架構(gòu)，主要完成了Gadget驅(qū)動(dòng)和控制器驅(qū)動(dòng)綁定、usb_gadget_register_driver注冊(cè)。

3.3 OTG驅(qū)動(dòng)

OS_FS: 文件系統(tǒng)
USBD: USB核心
HCD: 主機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)
UDC: 設(shè)備端控制器驅(qū)動(dòng)

OTG設(shè)備支持HNP和SRP協(xié)議。OTG設(shè)備通過USB OTG電纜連接到一起，其中接Mini-A接口的設(shè)備為A設(shè)備，默認(rèn)為主機(jī)端，Mini-B接口的設(shè)備默認(rèn)為B設(shè)備。當(dāng)A、B設(shè)備完成數(shù)據(jù)交互之后，A、B設(shè)備之間的USB OTG電纜進(jìn)入掛起狀態(tài)，如下圖所示：

當(dāng)B設(shè)備寫入b_bus_req，向A設(shè)備發(fā)起HNP請(qǐng)求。待A設(shè)備響應(yīng)之后，A設(shè)備發(fā)送a_set_b_hnp_en，B設(shè)備響應(yīng)之后即進(jìn)入主機(jī)狀態(tài)，同時(shí)發(fā)送請(qǐng)求使用A設(shè)備set_device，這樣A、B設(shè)備完成主從交換。

4. USB 傳輸流程

4.1 USB初始化過程

USB驅(qū)動(dòng)作為一個(gè)系統(tǒng)，集成了眾多的驅(qū)動(dòng)模塊，注冊(cè)過程非常復(fù)雜。從USB系統(tǒng)的角度來說，USB主機(jī)驅(qū)動(dòng)主要包含：

1) USB核驅(qū)動(dòng)

2) 主機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)

3) 集線器驅(qū)動(dòng)

驅(qū)動(dòng)的加載執(zhí)行流程如下圖所示：

USB初始化過程
4.1.1 USB Core的初始化

USB驅(qū)動(dòng)從USB子系統(tǒng)的初始化開始，USB子系統(tǒng)的初始化在文件driver/usb/core/usb.c

subsys_initcall()是一個(gè)宏，可以理解為module_init()。由于此部分代碼非常重要，開發(fā)者把它看作一個(gè)子系統(tǒng)，而不僅僅是一個(gè)模塊。USB Core這個(gè)模塊代表的不是某一個(gè)設(shè)備，而是所有USB設(shè)備賴以生存的模塊。在Linux中，像這樣一個(gè)類別的設(shè)備驅(qū)動(dòng)被歸結(jié)為一個(gè)子系統(tǒng)。subsys_initcall(usb_init)告訴我們，usb_init才是真正的初始化函數(shù)，而usb_exit將是整個(gè)USB子系統(tǒng)結(jié)束時(shí)的清理函數(shù)。

4.1.2 主機(jī)控制器的初始化及驅(qū)動(dòng)執(zhí)行(以EHCI為例)

module_init(otg_init); 模塊注冊(cè)
static init __init otg_init(void);
platform_driver_register(); 平臺(tái)注冊(cè)
static int __init otg_probe(struct platform_device *pdev); 探測處理函數(shù)
reg = platform_get_resource(pdev, IORESOURCE_MEM, 0); 獲取寄存器信息
data = platform_get_resource(pdev,IORESOURCE_MEM, 1); 獲取內(nèi)存信息
irq = platform_get_irq(pdev,0); 獲取中斷號(hào)
usb_create_hcd(&otg_hc_driver, &pdev->dev, pdev->dev.bus_id);
分配和初始化HCD結(jié)構(gòu)體。對(duì)設(shè)備數(shù)據(jù)空間進(jìn)行分配，初始化計(jì)數(shù)器、總線、定時(shí)器、hcd結(jié)構(gòu)體各成員值。
ret = usb_add_hcd(hcd,irq,SA_INTERRUPT);
完成HCD結(jié)構(gòu)體的初始化和注冊(cè)。申請(qǐng)buffer，注冊(cè)總線、分配設(shè)備端內(nèi)存空間，向中斷向量表中申請(qǐng)中斷，注冊(cè)根集線器，對(duì)根集線器狀態(tài)進(jìn)行輪詢。

4.1.3 注冊(cè)集線器

register_root_hub(hcd);
在USB系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)加載的過程中，創(chuàng)建了集線器的線程(khubd)，并且一直查詢相應(yīng)的線程事務(wù)。HCD驅(qū)動(dòng)中，將集線器作為一個(gè)設(shè)備添加到主機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)中，然后進(jìn)行集線器端口的初始化。在USB主機(jī)看來，根集線器本身也是USB主機(jī)的設(shè)備。USB主機(jī)驅(qū)動(dòng)加載完成之后，即開始注冊(cè)根集線器，并且作為一個(gè)設(shè)備加載到主機(jī)驅(qū)動(dòng)之中。
USB主機(jī)和USB設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，USB設(shè)備本身并沒有總線控制權(quán)，U盤被動(dòng)地接收USB主機(jī)發(fā)送過來的信息并做出響應(yīng)。USB主機(jī)控制器與根集線器構(gòu)成了主機(jī)系統(tǒng)，然后外接其它的USB設(shè)備。
為了更好地探測到根集線器的狀態(tài)變化，USB主機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)增加了狀態(tài)輪詢函數(shù)，以一定的時(shí)間間隔輪詢根集線器狀態(tài)是否發(fā)生變化。一旦根集線器狀態(tài)發(fā)生變化，主機(jī)控制器就會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的響應(yīng)。
USB主機(jī)和USB設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸以URB(USB Request Block)的形式進(jìn)行。

4.2 URB傳輸過程

USB初始化過程中，無論是主機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)還是根集線器驅(qū)動(dòng)，都是通過URB傳輸獲取設(shè)備信息。

4.2.1申請(qǐng)URB

struct urb *usb_alloc_urb(int iso_packets, gfp_t mem_flags)
為urb分配內(nèi)存并執(zhí)行初始化。

4.2.2 初始化URB

初始化具體的urb包

不同的傳輸模式下，驅(qū)動(dòng)為之申請(qǐng)不同的URB。其中，Linux內(nèi)核只支持同步傳輸外的三種傳輸事件，ISO事務(wù)需要手工進(jìn)行初始化工作?？刂苽鬏斒聞?wù)、批量傳輸事務(wù)、中斷傳輸事務(wù)API如上所示。
三種事務(wù)傳輸模式下的URB初始化函數(shù)有很多相似之處，主要參數(shù)含義如下：
• urb: 事務(wù)傳輸中的urb
• dev: 事務(wù)傳輸?shù)哪康脑O(shè)備
• pipe: USB主機(jī)與USB設(shè)備之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ǖ?br />• transfer_buffer: 發(fā)送數(shù)據(jù)所申請(qǐng)的內(nèi)存緩沖區(qū)首地址
• length: 發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的長度
• context: complete函數(shù)的上下文
• complete_fn: 調(diào)用完成函數(shù)
• usb_fill_control_urb()的setup_packet: 即將被發(fā)送的設(shè)備數(shù)據(jù)包
• usb_fill_int_urb()的interval: 中斷傳輸中兩個(gè)URB調(diào)度的時(shí)間間隔

4.2.3 提交URB

URB初始化完成之后，USBD開始通過usb_start_wait_urb()提交urb請(qǐng)求(它調(diào)用usb_submit_urb來真正的發(fā)送URB請(qǐng)求)，添加completition函數(shù)。
接下來，從message.c傳到主機(jī)控制器(hcd.c)，開始真正的usb_hcd_submit_urb()。此時(shí)，根據(jù)是否為根集線器，進(jìn)入不同的工作隊(duì)列。
usb_start_wait_urb->
usb_submit_urb->
usb_hcd_submit_urb

a) root_hub傳輸

若為root hub，將調(diào)用rh_urb_enqueue()，共有兩種傳輸事務(wù)(控制傳輸和中斷傳輸)

b) 非root_hub傳輸
對(duì)于非常root_hub傳輸，它調(diào)用:
status = hcd->driver->urb_enqueue(hcd, urb, mem_flags);

c) 批量傳輸
root_hub本身沒有批量傳輸流程，按照控制傳輸流程，控制傳輸最終要通過switch語句跳轉(zhuǎn)到Bulk-Only傳輸流程中。