USB協(xié)議架構及驅動(dòng)架構

USB數據傳輸都以URB(USB Request Block)請求、URB生成、URB遞交、URB釋放為主線(xiàn)。從上圖可知，當加載控制器驅動(dòng)之后，注冊根據集線(xiàn)器，hub和hcd驅動(dòng)成為一個(gè)整體。接著(zhù)，主機通過(guò)控制傳輸獲取設備的控制描述符等信息，接著(zhù)詳述整個(gè)控制傳輸的流程。usb_submit_urb依據是否連接到根集線(xiàn)器來(lái)決定調用urb_enqueue或rh_urb_enqueue函數。
USB從設備通過(guò)集線(xiàn)器或根集線(xiàn)器連接到USB主機上。比如：主機通過(guò)根集線(xiàn)器與外界進(jìn)行數據交互，根集線(xiàn)器通過(guò)探測數據線(xiàn)狀態(tài)的變化來(lái)通知USB主機是否有USB外圍設備接入。

在主機端控制器驅動(dòng)加載的過(guò)程中，注冊了根集線(xiàn)器，然后匹配了相應的hub驅動(dòng)程序，同時(shí)完成了對Hub的輪詢(xún)函數和狀態(tài)處理函數的設置。這樣，一旦hub集線(xiàn)器的狀態(tài)發(fā)生變化，就會(huì )產(chǎn)生相應的中斷，主機端控制器就會(huì )執行相應的中斷處理函數，下圖為hub驅動(dòng)程序的流程圖。

USB Core中的usb_init()函數中完成了對hub線(xiàn)程(khubd，在usb_hub_init函數中真正地創(chuàng )建)的創(chuàng )建，然后完成相應設備的探測。主機端控制器驅動(dòng)進(jìn)行探測時(shí)，將hub驅動(dòng)和主機端控制器驅動(dòng)結合在一起，相互之間完成調用。 相對于大容量存儲設備與主機之間通過(guò)控制/批量傳輸，集線(xiàn)器與主機之間通過(guò)中斷/控制方式完成數據交互。

3.2 USB設備端驅動(dòng)

從上圖可知，設備端驅動(dòng)包含兩部分：
1) 底層設備控制器驅動(dòng)
2) 上層大容量存儲類(lèi)驅動(dòng)

3.2.1 設備控制器驅動(dòng)

USB設備控制器驅動(dòng)主要實(shí)現Gadget API定義的函數和中斷服務(wù)函數，可按功能劃分為：API函數實(shí)現模塊和中斷處理模塊。
API函數主要實(shí)現Gadget API定義的函數功能，如結構體usb_ep_ops和usb_gadget_ops中的函數、usb_gadget_register_driver函數。這些函數是供Gadget Driver調用。
中斷處理模塊主要處理設備控制器產(chǎn)生的各種中斷，包括端點(diǎn)中斷、復位、掛起等中斷。

上圖為設備端控制器基本架構，主要完成了Gadget驅動(dòng)和控制器驅動(dòng)綁定、usb_gadget_register_driver注冊。

3.3 OTG驅動(dòng)

OS_FS: 文件系統
USBD: USB核心
HCD: 主機控制器驅動(dòng)
UDC: 設備端控制器驅動(dòng)

OTG設備支持HNP和SRP協(xié)議。OTG設備通過(guò)USB OTG電纜連接到一起，其中接Mini-A接口的設備為A設備，默認為主機端，Mini-B接口的設備默認為B設備。當A、B設備完成數據交互之后，A、B設備之間的USB OTG電纜進(jìn)入掛起狀態(tài)，如下圖所示：

當B設備寫(xiě)入b_bus_req，向A設備發(fā)起HNP請求。待A設備響應之后，A設備發(fā)送a_set_b_hnp_en，B設備響應之后即進(jìn)入主機狀態(tài)，同時(shí)發(fā)送請求使用A設備set_device，這樣A、B設備完成主從交換。

4. USB 傳輸流程

4.1 USB初始化過(guò)程

USB驅動(dòng)作為一個(gè)系統，集成了眾多的驅動(dòng)模塊，注冊過(guò)程非常復雜。從USB系統的角度來(lái)說(shuō)，USB主機驅動(dòng)主要包含：

1) USB核驅動(dòng)

2) 主機控制器驅動(dòng)

3) 集線(xiàn)器驅動(dòng)

驅動(dòng)的加載執行流程如下圖所示：

USB初始化過(guò)程
4.1.1 USB Core的初始化

USB驅動(dòng)從USB子系統的初始化開(kāi)始，USB子系統的初始化在文件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(kāi)發(fā)者把它看作一個(gè)子系統，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)設備，而是所有USB設備賴(lài)以生存的模塊。在Linux中，像這樣一個(gè)類(lèi)別的設備驅動(dòng)被歸結為一個(gè)子系統。subsys_initcall(usb_init)告訴我們，usb_init才是真正的初始化函數，而usb_exit將是整個(gè)USB子系統結束時(shí)的清理函數。

4.1.2 主機控制器的初始化及驅動(dòng)執行(以EHCI為例)

module_init(otg_init); 模塊注冊
static init __init otg_init(void);
platform_driver_register(); 平臺注冊
static int __init otg_probe(struct platform_device *pdev); 探測處理函數
reg = platform_get_resource(pdev, IORESOURCE_MEM, 0); 獲取寄存器信息
data = platform_get_resource(pdev,IORESOURCE_MEM, 1); 獲取內存信息
irq = platform_get_irq(pdev,0); 獲取中斷號
usb_create_hcd(&otg_hc_driver, &pdev->dev, pdev->dev.bus_id);
分配和初始化HCD結構體。對設備數據空間進(jìn)行分配，初始化計數器、總線(xiàn)、定時(shí)器、hcd結構體各成員值。
ret = usb_add_hcd(hcd,irq,SA_INTERRUPT);
完成HCD結構體的初始化和注冊。申請buffer，注冊總線(xiàn)、分配設備端內存空間，向中斷向量表中申請中斷，注冊根集線(xiàn)器，對根集線(xiàn)器狀態(tài)進(jìn)行輪詢(xún)。

4.1.3 注冊集線(xiàn)器

register_root_hub(hcd);
在USB系統驅動(dòng)加載的過(guò)程中，創(chuàng )建了集線(xiàn)器的線(xiàn)程(khubd)，并且一直查詢(xún)相應的線(xiàn)程事務(wù)。HCD驅動(dòng)中，將集線(xiàn)器作為一個(gè)設備添加到主機控制器驅動(dòng)中，然后進(jìn)行集線(xiàn)器端口的初始化。在USB主機看來(lái)，根集線(xiàn)器本身也是USB主機的設備。USB主機驅動(dòng)加載完成之后，即開(kāi)始注冊根集線(xiàn)器，并且作為一個(gè)設備加載到主機驅動(dòng)之中。
USB主機和USB設備之間進(jìn)行數據交互，USB設備本身并沒(méi)有總線(xiàn)控制權，U盤(pán)被動(dòng)地接收USB主機發(fā)送過(guò)來(lái)的信息并做出響應。USB主機控制器與根集線(xiàn)器構成了主機系統，然后外接其它的USB設備。
為了更好地探測到根集線(xiàn)器的狀態(tài)變化，USB主機控制器驅動(dòng)增加了狀態(tài)輪詢(xún)函數，以一定的時(shí)間間隔輪詢(xún)根集線(xiàn)器狀態(tài)是否發(fā)生變化。一旦根集線(xiàn)器狀態(tài)發(fā)生變化，主機控制器就會(huì )產(chǎn)生相應的響應。
USB主機和USB設備之間的數據傳輸以URB(USB Request Block)的形式進(jìn)行。

4.2 URB傳輸過(guò)程

USB初始化過(guò)程中，無(wú)論是主機控制器驅動(dòng)還是根集線(xiàn)器驅動(dòng)，都是通過(guò)URB傳輸獲取設備信息。

4.2.1申請URB

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

4.2.2 初始化URB

初始化具體的urb包

不同的傳輸模式下，驅動(dòng)為之申請不同的URB。其中，Linux內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初始化函數有很多相似之處，主要參數含義如下：
• urb: 事務(wù)傳輸中的urb
• dev: 事務(wù)傳輸的目的設備
• pipe: USB主機與USB設備之間數據傳輸的通道
• transfer_buffer: 發(fā)送數據所申請的內存緩沖區首地址
• length: 發(fā)送數據緩沖區的長(cháng)度
• context: complete函數的上下文
• complete_fn: 調用完成函數
• usb_fill_control_urb()的setup_packet: 即將被發(fā)送的設備數據包
• usb_fill_int_urb()的interval: 中斷傳輸中兩個(gè)URB調度的時(shí)間間隔

4.2.3 提交URB

URB初始化完成之后，USBD開(kāi)始通過(guò)usb_start_wait_urb()提交urb請求(它調用usb_submit_urb來(lái)真正的發(fā)送URB請求)，添加completition函數。
接下來(lái)，從message.c傳到主機控制器(hcd.c)，開(kāi)始真正的usb_hcd_submit_urb()。此時(shí)，根據是否為根集線(xiàn)器，進(jìn)入不同的工作隊列。
usb_start_wait_urb->
usb_submit_urb->
usb_hcd_submit_urb

a) root_hub傳輸

若為root hub，將調用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
對于非常root_hub傳輸，它調用:
status = hcd->driver->urb_enqueue(hcd, urb, mem_flags);

c) 批量傳輸
root_hub本身沒(méi)有批量傳輸流程，按照控制傳輸流程，控制傳輸最終要通過(guò)switch語(yǔ)句跳轉到Bulk-Only傳輸流程中。