驱动那些事儿之三：usb系统大框架浅析

在今天，计算机和外围设备的连接用的最多的应该就是usb（universal serial bus 通用串行总线），usb支持热插拔，外围设备多种多样，驱动程序通用，被广泛用在消费电子领域，他很好的扩充了计算机的系统的功能。

1：usb的体系架构

（图1）

Usb通信主要采用主从结构，实现了主控制器与外围设备的通信，图1的上半图为pc的usb系统，也就是所说的主控制器部分，图1的下半图是嵌入式设备的usb系统，图中的soc内嵌了usb控制器，该控制器支持四条总线和三种操作模式。

l 总线1工作在主机模式下，通过usb收发器与A型usb接口连接，该A型接口可用来连接U盘，键盘等usb外围设备。

l 总线2也是工作在主机模式下，只不过它的usb收发器连接的是内嵌usb设备，如生物扫描器（biometric scanner）,加密引擎（touch controller）和遥测卡（telemetry card）.

l 总线3工作在设备模式下，通过usb收发器与B型usb接口相连，该B型接口与主机相连，在这种模式下，该嵌入式设备可以当U盘使用，同事也为主机提供了另一个存储分区，同pc相比，嵌入式设备（mp3和手机等）更可能作为usb的设备端，所以大部分嵌入式设备除了包含主机控制器之外，还包含有usb设备控制器（提供与pc主机相连的支持）。

l 总线4接的是OTG（On-The-Go）控制器，使用这种接口，即可以把外围设备连接到系统上，也可以把系统当作外围设备连接到主机上，与前三种总线不同，总线4的usb收发器是智能的，即可作为主机控制器也可作为设备控制器使用。



（图2）

图2分别给出了USB主机控制器（Host Controller左）和USB设备控制器(UDC 右)的层型结构图，linux系统中，usb驱动可以从两个角度去观察，一个角度是主机端，另一个角度是设备端。

在主机端的usb驱动中，usb驱动最底层的是usb主机控制器硬件（主要负责与cpu通信的），在其之上运行的是usb主机控制器驱动程序，主机控制器驱动上层为usb核心层（usb core）,再上层是usb设备驱动层（这种外围设备的驱动程序，如U盘，键盘，鼠标等），因此主机端要实现的驱动是usb主机控制器驱动和usb设备驱动，前者控制插入其中的USB设备，后者控制USB设备如何和主机通信，usb核心（usb core）主要负责usb驱动管理和协议处理的主要工作。Usb核心非常重要，其功能有：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，通过全局变量维护整个系统的usb设备信息，完成设备热插拔控制，总线数据传输控制等。

在设备端的usb驱动中，usb设备驱动程序分为三层：USB 设备控制器（UDC）驱动程序，Gadget API 和Gadget驱动程序，UDC驱动程序之直接访问硬件，控制usb设备和主机之间的底层通信，向上层提供与硬件相关操作的回调函数，而Gadget API就是对UDC驱动程序回调函数的简单封装，与Gadget驱动程序进行通信，Gadget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”，“USB Mass Storage”等特性，它使用Gadget API控制UDC实现上述功能，Gadget
API把下层的与硬件相关的UDC驱动程序和上层的Gadget驱动程序分开，使得Linux系统中编写USB设备驱动程序时能够把功能的实现和底层通信分离。