3. Linux USB子系统架构

Linux USB 子系统采用经典的分层架构设计，将主机侧与设备侧的驱动逻辑解耦，并通过 USB Core 层提供统一的资源管理与协议抽象。理解这一分层模型是进行 USB 驱动移植与调试的基础。

3.1 分层模型总览

整个 USB 子系统从纵向划分为三个核心层次，每一层职责明确，接口清晰。下图展示了主机侧与设备侧的分层对应关系：

3.2 USB Core（核心层）

USB Core 是 Linux USB 子系统的中枢，负责管理 USB 总线上的所有设备、接口、端点以及数据传输。它不直接操作硬件，而是通过 HCD 或 UDC 层间接控制。

3.3 HCD（主机控制器驱动）

HCD 是主机侧最底层的软件模块，直接与 USB 主机控制器硬件交互。Linux 内核支持四种主流主机控制器标准：

HCD 层向上通过 struct hc_driver 结构体向 USB Core 注册回调函数，包括：

struct hc_driver {
    const char      *description;
    const char      *product_desc;
    size_t          hcd_priv_size;

    /* 硬件初始化与去初始化 */
    int (*start)(struct usb_hcd *hcd);
    void (*stop)(struct usb_hcd *hcd);

    /* 中断处理 */
    irqreturn_t (*irq)(struct usb_hcd *hcd);

    /* URB 提交与完成 */
    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);

    /* 端口控制 */
    int (*hub_status_data)(struct usb_hcd *hcd, char *buf);
    int (*hub_control)(struct usb_hcd *hcd,
                       u16 typeReq, u16 wValue,
                       u16 wIndex, char *buf, u16 wLength);
};

3.4 UDC（设备控制器驱动）

UDC 是设备侧（Gadget）的底层驱动，负责管理 SoC 内部的 USB 设备控制器硬件。与 HCD 不同，UDC 不主动发起传输，而是响应主机发起的请求。

Linux 内核中常见的 UDC 驱动包括：

• DWC2：DesignWare USB 2.0 OTG 控制器，广泛用于 Allwinner、Rockchip、NXP i.MX 系列
• DWC3：DesignWare USB 3.0 控制器，用于 TI AM57x、Xilinx ZynqMP、高通平台
• ChipIdea：NXP 内部 USB 2.0 控制器，用于 i.MX6/7 系列
• FSL：飞思卡尔专用 USB 控制器，用于 PowerPC 架构
• Renesas：瑞萨 R-Car 系列 USB 3.0 控制器

UDC 驱动通过 struct usb_gadget_ops 向 Gadget Core 层暴露硬件操作接口：

struct usb_gadget_ops {
    int (*get_frame)(struct usb_gadget *gadget);
    int (*wakeup)(struct usb_gadget *gadget);
    int (*set_selfpowered)(struct usb_gadget *gadget, int value);
    int (*vbus_session)(struct usb_gadget *gadget, int is_active);
    int (*vbus_draw)(struct usb_gadget *gadget, unsigned mA);
    int (*pullup)(struct usb_gadget *gadget, int is_on);
    int (*start)(struct usb_gadget *gadget,
                 struct usb_gadget_driver *driver);
    int (*stop)(struct usb_gadget *gadget);
};

3.5 分层模型的数据流

以主机侧读取 U 盘数据为例，数据流经各层的路径如下：

1. USB 设备驱动（如 usb-storage）构造 URB，调用 usb_submit_urb() 提交给 USB Core。
2. USB Core 根据 URB 的目标端点，将请求路由到对应的 HCD。
3. HCD 将 URB 转换为硬件可执行的传输描述符（TD），写入主机控制器的寄存器或 DMA 链表。
4. 主机控制器硬件 通过 USB 总线发送 IN/OUT 事务，与设备通信。
5. 数据返回时，HCD 中断处理函数将完成状态回填到 URB，调用完成回调。
6. USB Core 将完成的 URB 返回给设备驱动，驱动解析数据并提交给上层文件系统。

3.6 分层模型在移植中的意义

掌握 USB 子系统的分层结构，在驱动移植过程中可以快速定位问题归属：