1. USB 基础概念
USB（Universal Serial Bus，通用串行总线）自 1996 年问世以来，已成为嵌入式系统与主机之间最通用的连接标准。在进入 Gadget 驱动开发之前，必须透彻理解 USB 的物理拓扑、角色分工、速度等级以及协议栈的分层架构。本章从这四个维度构建 USB 的知识骨架，为后续的 Gadget 驱动实现打下坚实基础。
1.1 USB 总线拓扑结构
USB 采用星型-级联拓扑，由一个主机（Host）和最多 127 个设备（Device）组成。主机通过根集线器（Root Hub）引出总线，设备可以直连主机，也可以通过集线器（Hub）扩展层级。USB 规范规定最多允许 7 层（Tier），包括根集线器在内。
关键点：USB 拓扑中不允许环路，所有通信必须经过主机调度。设备之间不能直接通信，必须由主机作为仲裁者。
1.2 主机与设备角色
USB 总线是主从架构，角色严格区分：
| 角色 | 职责 | 典型硬件 | 驱动类型 |
|---|---|---|---|
| 主机（Host） | 调度总线、发起传输、管理枚举、分配地址 | PC、树莓派、OTG 主模式 | Host Controller Driver (HCD) |
| 设备（Device） | 响应主机请求、报告描述符、传输数据 | U 盘、键盘、嵌入式 Gadget | Function Driver / Gadget Driver |
| 集线器（Hub） | 端口扩展、检测连接/断开、电源管理 | USB Hub 芯片 | Hub Driver |
| OTG 双角色 | 可在 Host 与 Device 间切换 | 手机、嵌入式开发板 | OTG Driver + Gadget |
Gadget 视角：在嵌入式 Linux 中，我们通常将开发板配置为 Device 角色，通过 Gadget 驱动模拟成 U 盘、串口、网卡或音频设备。OTG 硬件允许同一端口在 Host 和 Device 之间动态切换。
1.3 USB 速度等级
USB 规范定义了四种主要速度等级，不同速度在电气信号、线缆长度、协议细节上均有差异：
| 速度等级 | 缩写 | 理论速率 | 信号编码 | 最大线缆长度 | 引入版本 |
|---|---|---|---|---|---|
| 低速 | LS | 1.5 Mbps | NRZI + 位填充 | 5 m | USB 1.0 |
| 全速 | FS | 12 Mbps | NRZI + 位填充 | 5 m | USB 1.1 |
| 高速 | HS | 480 Mbps | NRZI + 位填充 + 微帧 | 5 m | USB 2.0 |
| 超高速 | SS | 5 Gbps / 10 Gbps / 20 Gbps | 8b/10b (Gen1) / 128b/132b (Gen2) | 3 m | USB 3.x |
开发注意：在 Gadget 驱动中，设备描述符（Device Descriptor）的
bcdUSB 字段声明设备支持的最高 USB 版本。如果声明为 0x0200（USB 2.0），主机将以高速模式枚举；如果声明为 0x0110（USB 1.1），则降级为全速。错误的速度声明会导致枚举失败或性能严重下降。
1.4 USB 协议栈分层
USB 协议栈采用分层架构，从物理信号到应用数据逐层封装。理解分层是编写 Gadget 驱动的关键前提。
各层职责详解
| 层次 | 职责 | Gadget 驱动关注点 |
|---|---|---|
| 物理层 | 差分信号传输、NRZI 编码、位填充、电气特性 | 硬件兼容性、速度协商 |
| 链路层 | 包定界、CRC 校验、握手协议、令牌/数据/握手包 | 端点（Endpoint）配置、包大小 |
| 协议层 | 四种传输类型：控制、批量、中断、等时 | 选择传输类型、设置端点属性 |
| 设备类层 | 定义标准设备类协议（HID、MSC、CDC 等） | 实现类特定描述符和请求处理 |
| 应用层 | 用户态应用程序通过设备节点访问 USB 功能 | 与用户态交互接口（/dev 节点） |
Linux USB Gadget 软件栈
在 Linux 内核中，Gadget 驱动位于设备类层和协议层之间，通过 UDC（USB Device Controller）驱动与硬件交互。以下是典型的软件分层：
Gadget 驱动开发核心：开发者主要编写 Gadget Function 驱动，通过 Linux 内核提供的
usb_gadget 框架注册端点、处理请求、实现类特定协议。UDC 驱动通常由芯片厂商提供，开发者只需配置设备树或平台数据即可。
关键数据结构预览
在后续章节中，我们将频繁操作以下内核数据结构。这里先列出名称和用途，建立初步印象：
| 数据结构 | 定义位置 | 用途 |
|---|---|---|
struct usb_gadget |
include/linux/usb/gadget.h |
代表一个 USB 设备控制器实例 |
struct usb_ep |
include/linux/usb/gadget.h |
代表一个端点（Endpoint） |
struct usb_request |
include/linux/usb/gadget.h |
代表一次 USB 数据传输请求 |
struct usb_composite_dev |
include/linux/usb/composite.h |
复合设备框架，管理多个 Function |
struct usb_function |
include/linux/usb/composite.h |
代表一个 USB 功能（如串口、网卡） |