3. Linux USB子系统架构

Linux USB 子系统采用经典的三层软件架构设计，将 USB 协议栈从下到上划分为 USB 设备控制器驱动（Gadget）、主机控制器驱动（HCD） 和 USB 核心层（Core）。这种分层设计实现了硬件无关性与协议处理的解耦，使得同一套 USB 核心代码可以适配不同的主机控制器（如 EHCI、XHCI）和设备角色（Host/Device）。

3.1 USB 核心层（USB Core）

USB Core 是 Linux USB 子系统的中枢，负责管理 USB 总线、设备枚举、配置解析、驱动匹配以及 urb（USB Request Block）的调度。它不直接操作硬件，而是通过 HCD 或 Gadget 层提供的回调函数与底层交互。

USB Core 在源码中位于 drivers/usb/core/ 目录，主要文件包括：

3.2 主机控制器驱动（HCD）

HCD 是 USB Host 模式下直接与硬件控制器交互的软件层。它实现了 USB 主机控制器规范（如 EHCI、OHCI、UHCI、XHCI），负责将 USB Core 下发的 urb 转换为硬件可执行的传输描述符（TD），并处理中断、DMA 传输等底层操作。

Linux 内核支持四种主流 HCD 标准：

3.3 设备控制器驱动（Gadget）

Gadget 层使 Linux 设备能够作为 USB 外设（Device）工作，例如模拟成 U 盘、串口、网卡或复合设备。它由三部分组成：UDC（USB Device Controller）驱动、Gadget 功能驱动和配置层（Configfs / Legacy）。

Gadget 层与 HCD 层在架构上对称，但方向相反：

3.4 三层之间的接口与数据流

USB Core 通过一组标准接口与 HCD 和 Gadget 层通信。对于 Host 模式，核心数据结构是 struct usb_hcd，其中包含 struct hc_driver 函数指针表；对于 Device 模式，核心数据结构是 struct usb_gadget，通过 struct usb_gadget_ops 与 UDC 交互。

struct hc_driver {
    const char *description;
    int (*reset) (struct usb_hcd *hcd);
    int (*start) (struct usb_hcd *hcd);
    int (*urb_enqueue) (struct usb_hcd *hcd,
                        struct urb *urb, gfp_t mem_flags);
    int (*urb_dequeue) (struct usb_hcd *hcd,
                        struct urb *urb, int status);
    irqreturn_t (*irq) (struct usb_hcd *hcd);
    void (*stop) (struct usb_hcd *hcd);
    // ... 其他回调
};

struct usb_gadget_ops {
    int (*get_frame) (struct usb_gadget *);
    int (*wakeup) (struct usb_gadget *);
    int (*set_selfpowered) (struct usb_gadget *, int);
    int (*vbus_session) (struct usb_gadget *, int);
    int (*vbus_draw) (struct usb_gadget *, unsigned mA);
    int (*pullup) (struct usb_gadget *, int);
    int (*udc_start) (struct usb_gadget *,
                      struct usb_gadget_driver *);
    int (*udc_stop) (struct usb_gadget *);
};

典型的数据流（以 Host 模式读取 U 盘为例）：

1. USB Core 检测到 Hub 端口状态变化，启动枚举流程。
2. USB Core 通过控制传输（urb）读取设备描述符，分配地址。
3. USB Core 匹配 U 盘驱动（如 usb-storage），调用驱动 probe。
4. U 盘驱动 提交批量传输 urb 到 USB Core。
5. USB Core 将 urb 传递给 HCD，HCD 将其转换为硬件传输描述符。
6. HCD 启动 DMA 或 PIO 传输，完成后触发中断。
7. HCD 中断处理函数调用 urb 完成回调，通知 USB Core 和驱动层。

3.5 三层模型在嵌入式移植中的意义

理解三层模型对于嵌入式 Linux USB 驱动移植至关重要：

• 代码复用：USB Core 和功能驱动（如 usb-storage、CDC 以太网）是平台无关的，移植时只需关注 HCD 或 UDC 层。
• 调试隔离：当 USB 不工作时，可以快速定位问题属于 Core 层、HCD 层还是硬件层。
• 性能优化：在 HCD 层可以调整 DMA 缓冲区大小、中断合并策略、urb 队列深度等参数。
• 电源管理：三层模型支持逐层挂起/恢复，HCD 层负责硬件寄存器操作，Core 层负责策略决策。