在Linux系统中，提供主机侧和设备侧视角的USB驱动框架，从主机侧看到的USB主机控制器和设备驱动，以及从设备侧看到的设备控制器和Gadget驱动。
1、Linux系统中USB驱动的整体视图，Linux中从主机侧和设备侧看到的USB驱动层次。
2、从主机侧的角度来看，需要编写的USB驱动程序包括主机控制器驱动和设备驱动两类，USB主机控制器驱动程序控制插入其中的USB设备，USB设备驱动程序控制该设备如何作为从设备与主机通信。
（1）分析USB主机控制器驱动的结构并给出Chipidea USB主机驱动实例。
（2）分析USB设备驱动的结构及其设备请求块处理过程，并给出USB键盘驱动实例。
3、从设备侧的角度来看，包含编写USB设备控制器（UDC）驱动和Gadget Function驱动两类，分析UDC和Gadget驱动，并给出Chipidea USB UDC和Loopback Function实例。
4、介绍USB OTG（On The Go）驱动。
16.1 Linux USB驱动层次
16.1.1 主机侧与设备侧USB驱动
USB采用树形拓扑结构，主机侧和设备侧的USB控制器分别称为主机控制器（Host Controller）和USB设备控制器（UDC），每条总线上只有一个主机控制器，负责协调主机和设备之间的通信，设备不能主动向主机发送任何消息。如图16.1，在Linux系统中，USB驱动可以从两个角度去观察，一个角度是主机侧，一个角度是设备侧。
图16.1 Linux USB驱动总体结构
分析：
从主机侧去看，在Linux驱动中，处于USB驱动最底层的是USB主机控制器硬件，在其上运行的是USB主机控制器驱动，在主机控制器上的为USB核心层，再上层为USB设备驱动层（插入主机上的U盘、鼠标、USB转串口等设备驱动）。在主机侧的层次结构中，要实现的USB驱动包括两类：USB主机控制器驱动和USB设备驱动，USB主机控制器驱动控制插入其中的USB设备，USB设备驱动控制USB设备如何与主机通信。Linux内核中的USB核心负责USB驱动管理和协议处理的主要工作。主机控制器驱动和设备驱动之间的USB核心非常重要，其功能包括：通过定义一些数据结构、宏和功能函数，向上为设备驱动提供编程接口，向下为USB主机控制器驱动提供编程接口；维护整个系统的USB设备信息；完成设备热插拔控制、总线数据传输控制等。
从设备侧去看，Linux内核中USB设备侧驱动程序分为4个层次：USB设备控制器硬件、UDC（USB设备控制器）驱动程序、Gadget Function API和Gadget（小巧机械装置） Function驱动程序。UDC（USB设备控制器）驱动程序直接访问硬件，控制USB设备和主机间的底层通信，向上层提供与硬件相关操作的回调函数。Gadget Function API是UDC驱动程序回调函数的简单包装。Gadget Function驱动程序具体控制USB设备功能的实现，使设备表现出“网络连接”、“打印机”或“USBMass Storage”等特性，Gadget Function驱动程序使用Gadget Function API控制UDC实现上述功能。Gadget Function API把下层的UDC驱动程序和上层的Gadget Function驱动程序隔离开，使得在Linux系统中编写USB设备侧驱动程序时能够把功能的实现和底层通信分离。
16.1.2 设备、配置、接口、端点
在USB设备的逻辑组织中，包含设备、配置、接口和端点4个层次。
每个USB设备都提供不同级别的配置信息，可以包含一个或多个配置，不同的配置使设备表现出不同的功能组合（在探测/连接期间需从其中选定一个），配置由多个接口组成。
在USB协议中，接口由多个端点组成，代表一个基本的功能，是USB设备驱动程序控制的对象，一个功能复杂的USB设备可以具有多个接口。每个配置中可以有多个接口，而设备接口是端点的汇集。例如，USB扬声器可以包含一个音频接口以及对旋钮和按钮的接口。一个配置中的所有接口可以同时有效，并可被不同的驱动程序连接。每个接口可以有备用接口，以提供不同质量的服务参数。
端点是USB通信的最基本形式，每一个USB设备接口在主机看来是一个端点的集合。主机只能通过端点与设备进行通信，以使用设备的功能。在USB系统中每一个端点都有唯一的地址，这是由设备地址和端点号给出的。每个端点都有一定的属性，其中包括传输方式、总线访问频率、带宽、端点号和数据包的最大容量等。一个USB端点只能在一个方向上承载数据，从主机到设备（称为输出端点）或者从设备到主机（称为输入端点），因此端点可看作是一个单向的管道。端点0通常为控制端点，用于设备初始化参数等。只要设备连接到USB上并且上电，端点0就可以被访问。端点1、2等一般用作数据端点，存放主机与设备之间往来的数据。
总之，USB设备非常复杂，由许多不同的逻辑单元组成，如图16.2所示，这些单元之间的关系如下：
图16.2 USB设备、配置、接口和端点
1、设备通常有一个或多个配置；
2、配置通常有一个或多个接口；
3、接口通常有一个或多个设置；
4、接口有零个或多个端点。
这种层次化配置信息在设备中通过一组标准的描述符来描述，如下所示。
设备描述符：关于设备的通用信息，如供应商ID、产品ID和修订ID，支持的设备类、子类和适用的协议以及默认端点的最大包大小等。在Linux内核中，USB设备用usb_device结构体来描述，USB设备描述符定义为usb_device_descriptor结构体，如代码清单16.1所示。
代码清单16.1 usb_device_descriptor结构体
uapi/linux/usb/ch9.h
/* USB_DT_DEVICE: Device descriptor */
struct usb_device_descriptor {
__u8 bLength; /* 描述符长度 */
__u8 bDescriptorType;/* 描述符类型编号 */
__le16 bcdUSB;/* USB版本号 */
__u8 bDeviceClass;/* USB分配的设备类code */
__u8 bDeviceSubClass;/* USB分配的子类code */
__u8 bDeviceProtocol;/* USB分配的协议code */
__u8 bMaxPacketSize0;/* endpoint0最大包大小 */
__le16 idVendor;/* 厂商编号 */
__le16 idProduct; /* 产品编号 */
__le16 bcdDevice;/* 设备出厂编号 */
__u8 iManufacturer;/* 描述厂商字符串的索引 */
__u8 iProduct;/* 描述产品字符串的索引 */
__u8 iSerialNumber;/* 描述设备***字符串的索引 */
__u8 bNumConfigurations;/* 可能的配置数量 */
} __attribute__ ((packed));
配置描述符：此配置中的接口数、支持的挂起和恢复能力以及功率要求。USB配置在内核中使用usb_host_config结构体描述，而USB配置描述符定义为结构体usb_config_descriptor，如代码清单16.2所示。
uapi/linux/usb/ch9.h
代码清单16.2 usb_config_descriptor结构体
struct usb_config_descriptor {
__u8 bLength;/* 描述符长度 */
__u8 bDescriptorType;/* 描述符类型编号 */
__le16 wTotalLength;/* 配置所返回的所有数据的大小 */
__u8 bNumInterfaces;/* 配置所支持的接口数 */
__u8 bConfigurationValue;/* Set_Configuration命令需要的参数值 */
__u8 iConfiguration;/* 描述该配置的字符串的索引值 */
__u8 bmAttributes;/* 供电模式的选择 */
__u8 bMaxPower;/* 设备从总线提取的最大电流 */
} __attribute__ ((packed));
接口描述符：接口类、子类和适用的协议，接口备用配置的数目和端点数目。USB接口在内核中使
用usb_interface结构体描述，而USB接口描述符定义为结构体usb_interface_descriptor，如代码清单16.3所
示。
代码清单16.3 usb_interface_descriptor结构体
uapi/linux/usb/ch9.h
struct usb_interface_descriptor {
__u8 bLength; /* 描述符长度 */
__u8 bDescriptorType; /* 描述符类型 */
__u8 bInterfaceNumber; /* 接口的编号 */
__u8 bAlternateSetting; /* 备用的接口描述符编号 */
__u8 bNumEndpoints; /* 该接口使用的端点数，不包括端点0 */
__u8 bInterfaceClass; /* 接口类型 */
__u8 bInterfaceSubClass; /* 接口子类型 */
__u8 bInterfaceProtocol; /* 接口所遵循的协议 */
__u8 iInterface; /* 描述该接口的字符串索引值 */
} _ _attribute__ ((packed));
端点描述符：端点地址、方向和类型，支持的最大包大小，如果是中断类型的端点则还包括轮询频率。在Linux内核中，USB端点使用usb_host_endpoint结构体来描述，而USB端点描述符定义为usb_endpoint_descriptor结构体，如代码清单16.4所示。
代码清单16.4 usb_endpoint_descriptor结构体
uapi/linux/usb/ch9.h
/* USB_DT_ENDPOINT: Endpoint descriptor */
struct usb_endpoint_descriptor {
__u8 bLength;/* 描述符长度 */
__u8 bDescriptorType;/* 描述符类型 */
__u8 bEndpointAddress;/* 端点地址：0~3位是端点号，第7位是方向(0为输出,1为输入) */
__u8 bmAttributes;/* 端点属性：bit[0:1] 的值为00表示控制，为01表示同步，为02表示批量，为03表示中断 */
__le16 wMaxPacketSize;/* 本端点接收或发送的最大信息包的大小 */
__u8 bInterval; /* 轮询数据传送端点的时间间隔 */
/* 对于批量传送的端点以及控制传送的端点，此域忽略 */
/* 对于同步传送的端点，此域必须为1 */
/* 对于中断传送的端点，此域值的范围为1~255 */
/* NOTE: these two are _only_ in audio endpoints. */
/* use USB_DT_ENDPOINT*_SIZE in bLength, not sizeof. */
__u8 bRefresh;
__u8 bSynchAddress;
} __attribute__ ((packed));
字符串描述符：在其他描述符中会为某些字段提供字符串索引，可被用来检索描述性字符串，可以以多种语言形式提供。字符串描述符是可选的，有的设备有，有的设备没有，字符串描述符对应于usb_string_descriptor结构体，如代码清单16.5所示。
代码清单16.5 usb_string_descriptor结构体
uapi/linux/usb/ch9.h
/* USB_DT_STRING: String descriptor */
struct usb_string_descriptor {
__u8 bLength;/* 描述符长度 */
__u8 bDescriptorType;/* 描述符类型 */
__le16 wData[1]; /* UTF-16LE encoded */
} __attribute__ ((packed));
例如，在Linux上插入一个SanDisk U盘，通过lsusb命令得到与这个U盘相关的描述符，从中可以显示这个U盘包含了一个设备描述符、一个配置描述符、一个接口描述符、批量输入和批量输出两个端点描述符。呈现出来的信息内容直接对应于usb_device_descriptor、usb_config_descriptor、usb_interface_descriptor、usb_endpoint_descriptor、usb_string_descriptor结构体，如下所示：
Bus 001 Device 004: ID 0781:5151 SanDisk Corp.
Device Descriptor:
bLength 18
bDescriptorType 1
bcdUSB 2.00
bDeviceClass 0 Interface
bDeviceSubClass 0
bDeviceProtocol 0
bMaxPacketSize0 64
idVendor 0x0781 SanDisk Corp.
idProduct 0x5151
bcdDevice 0.10
iManufacturer 1 SanDisk Corporation
iProduct 2 Cruzer Micro
iSerial 3 20060877500A1BE1FDE1
bNumConfigurations 1
bLength 9
bDescriptorType 2
wTotalLength 32
bNumInterfaces 1
bConfigurationValue 1
iConfiguration 0
bmAttributes 0x80
MaxPower 200mA
bLength 9
bDescriptorType 4
bInterfaceNumber 0
bAlternateSetting 0
bNumEndpoints 2
bInterfaceClass 8 Mass Storage
bInterfaceSubClass 6 SCSI
bInterfaceProtocol 80 Bulk (Zip)
iInterface 0
bLength 7
bDescriptorType 5
bEndpointAddress 0x81 EP 1 IN
bmAttributes 2
Transfer Type Bulk
Synch Type none
wMaxPacketSize 512
bInterval 0
bLength 7
bDescriptorType 5
bEndpointAddress 0x01 EP 1 OUT
bmAttributes 2
Transfer Type Bulk
Synch Type none
wMaxPacketSize 512
bInterval 1
Language IDs: (length=4)
0409 English(US)