图25-2是Linux内核从主机和设备两个角度观察USB总线结构的示意图。
从图25-2中可以看出,Linux内核USB驱动是按照主机驱动和设备驱动两套体系实现的,下面介绍两套体系的结构和特点。
图25-2的左侧是主机驱动结构。主机驱动的最底层是USB主机控制器,提供了OHCI/EHCI/UHCI这3种类型的总线控制功能。在USB控制器的上一层是主机控制器的驱动,分别对应OHCI/EHCI/UHCI这3种类型的总线接口。USB核心部分连接了USB控制器驱动和设备驱动,是两者之间的转换接口。USB设备驱动层提供了各种设备的驱动程序。
USB主机部分的设计结构完全是从USB总线特点出发的。在USB总线上可以连接各种不同类型的设备,包括字符设备、块设备和网络设备。所有类型的USB设备都是用相同的电气接口,使用的传输协议也基本相同。向用户提供某种特定类型的USB设备时,需要处理USB总线协议。内核完成所有的USB总线协议处理,并且向用户提供编程接口。
图25-2 Linux内核USB总线结构
图25-2右侧是设备驱动结构。与USB主机类似,USB设备提供了相同的层次结构与之对应。但是在USB设备一侧使用名为Gadget API的结构作为核心。Gadget API是Linux内核实现的对应USB设备的核心结构。Gadget API屏蔽了USB设备控制器的细节,控制具体的USB设备实现。
每个USB设备提供了不同级别的配置信息。一个USB设备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特点。其中,设备的配置是通过接口组成的。Linux内核定义了USB设备描述结构如下:
struct usb_device_descriptor {
__u8 bLength; // 设备描述符长度
__u8 bDescriptorType; // 设备类型
__le16 bcdUSB; // USB版本号(使用BCD编码)
__u8 bDeviceClass; // USB设备类型
__u8 bDeviceSubClass; // USB设备子类型
__u8 bDeviceProtocol; // USB设备协议号
__u8 bMaxPacketSize0; // 传输数据的最大包长
__le16 idVendor; // 厂商编号
__le16 idProduct; // 产品编号
__le16 bcdDevice; // 设备出厂号
__u8 iManufacturer; // 厂商字符串索引
__u8 iProduct; // 产品字符串索引
__u8 iSerialNumber; // 产品序列号索引
__u8 bNumConfigurations; // 最大的配置数量
} __attribute__ ((packed));
从usb_device_descriptor结构定义看出,一个设备描述符定义了与USB设备有关的所有信息。
在USB体系中,接口是由多个端点组成的。一个接口代表一个基本的功能,是USB设备驱动程序控制的对象。一个USB设备最少有一个接口,功能复杂的USB设备可以有多个接口。接口描述定义如下:
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; // 备用接口编号
__u8 bNumEndpoints; // 端点数量
__u8 bInterfaceClass; // 接口类型
__u8 bInterfaceSubClass; // 接口子类型
__u8 bInterfaceProtocol; // 接口使用的协议
__u8 iInterface; // 接口索引字符串数值
} __attribute__ ((packed));
端点是USB总线通信的基本形式,每个USB设备接口可以认为是端点的集合。主机只能通过端点与设备通信。USB体系结构规定每个端点都有一个唯一的地址,由设备地址和端点号决定端点地址。端点还包括了与主机通信用到的属性,如传输方式、总线访问频率、带宽和端点号等。端点的通信是单向的,通过端点传输的数据只能是从主机到设备或者从设备到主机。端点定义描述如下:
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; // 端点接收的最大数据包长度
__u8 bInterval; // 轮询端点的时间间隔
/* NOTE: these two are _only_ in audio endpoints. */
/* use USB_DT_ENDPOINT*_SIZE in bLength, not sizeof. */
__u8 bRefresh;
__u8 bSynchAddress;
} __attribute__ ((packed));
配置是一个接口的集合。Linux内核配置的定义如下:
struct usb_config_descriptor {
__u8 bLength; // 描述符长度
__u8 bDescriptorType; // 描述符类型
__le16 wTotalLength; // 配置返回数据长度
__u8 bNumInterfaces; // 最大接口数
__u8 bConfigurationValue; // 配置参数值
__u8 iConfiguration; // 配置描述字符串索引
__u8 bmAttributes; // 供电模式
__u8 bMaxPower; // 接口的最大电流
} __attribute__ ((packed));
配置描述符结构定义了配置的基本属性和接口数量等信息。