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🔨 整理中 · 这一篇讲 USB 子系统——它分两层:主机控制器驱动(HCD,xHCI/EHCI 等) 管"怎么和 USB 硬件总线通信",USB 设备驱动(HID/storage/net/serial 等类驱动)管"具体 USB 外设(键盘/U盘/网卡)怎么用"。素材以 6.19 源码 + kernel.org USB 文档 为权威。核心抽象:usb_device/usb_interface(设备/接口层次)+ URB(USB 请求块)。

做什么 ​

USB 是个相当复杂的总线——设备能热插拔、能枚举、有 hub 拓扑、设备内部还分"配置-接口-端点"多层、传输类型分控制/批量/中断/等时四种。Linux 把它抽象成一套层次分明的子系统:USB core 管枚举/总线模型、HCD(主机控制器驱动,drivers/usb/host)管硬件协议、USB 设备驱动管具体外设。绝大多数驱动作者写的是最后一层——某个 USB 外设(USB 转 serial、USB 网卡、自定义 USB 设备)的驱动,这一篇就聚焦它:怎么用 usb_driver + usb_device_id 配对、怎么用 URB 和设备交换数据。

要了解什么 ​

一、USB 的层次:设备 → 配置 → 接口 → 端点 ​

USB 设备内部是分层的:一个设备(device) 可有多个配置(config),一个配置下多个接口(interface)(每个接口代表一个独立功能,如 USB 复合设备:一个接口当键盘、一个当音频),一个接口下多个端点(endpoint)(端点是数据传输的最小单位,有方向 IN/OUT 和类型)。USB 设备驱动通常绑定到"接口"而非整个设备(所以一个复合 USB 设备会匹配多个驱动,各管一个接口)——这一点和 platform/pci 那种"一个设备一个驱动"不同。

二、usb_driver + usb_device_id:配对 ​

USB 设备驱动核心是 struct usb_driver(include/linux/usb.h),和 platform_driver 同构:probe/disconnect(USB 叫 disconnect 不叫 remove)+ id_table + 内嵌 device_driver。配对靠 struct usb_device_id(include/linux/mod_devicetable.h),匹配字段比 platform 丰富:

  • idVendor/idProduct(USB 设备的厂商/产品 ID,设备枚举时上报)
  • bInterfaceClass/bInterfaceSubClass/bInterfaceProtocol(接口类,如 HID/Storage/Mass Storage 的类码)
  • 或 USB_DEVICE_AND_INTERFACE_INFO/USB_DEVICE 宏生成表项

MODULE_DEVICE_TABLE(usb, my_table) 让模块能被 modprobe 按设备自动加载(udev 看到 USB 设备插入时 modprobe)。USB core 的 bus_type.match 用这张表和枚举出的 usb_interface 比对。

三、URB(USB Request Block):USB 传输的请求单位 ​

USB 和设备交换数据的单位是 URB(struct urb,include/linux/usb.h),它描述一次传输:目标端点、传输类型(control/bulk/interrupt/isochronous)、数据 buffer、长度、方向、完成回调。流程:

c
struct urb *u = usb_alloc_urb(0, GFP_KERNEL);     /* 分配 */
usb_fill_bulk_urb(u, dev, pipe, buf, len, my_urb_callback, ctx);  /* 填充(批量传输) */
usb_submit_urb(u, GFP_KERNEL);                     /* 提交给 USB core → HCD → 硬件 */
/* ... CPU 干别的;传输完成 my_urb_callback 被调(异步)... */
usb_free_urb(u);                                    /* 释放 */

URB 是异步的——usb_submit_urb 立即返回,硬件完成后回调(回调在原子上下文,不能睡)。四种传输类型各有 usb_fill_*_urb helper:control(控制,设备配置/命令)、bulk(批量,U 盘数据,可靠)、interrupt(中断,鼠标键盘小量周期数据)、isochronous(等时,音视频,不保证完整但保时序)。

四、同步 wrapper 与 USB class 驱动 ​

URB 异步写起来啰嗦,内核提供同步 wrapper(usb_control_msg/usb_bulk_msg):它们内部提交 URB + 等完成,函数返回时数据已搬好(阻塞、可睡眠,适合进程上下文)。多数简单 USB 驱动用同步 API 就够,只有高吞吐/低延迟场景才手写异步 URB。

USB 还有一堆类驱动(drivers/usb/storage/ U 盘、drivers/usb/serial/ USB 转串口、drivers/usb/input/hid/ HID、drivers/net/usb/ USB 网卡):它们对"符合某类 USB 标准的设备"提供通用驱动——比如你的 U 盘符合 USB Mass Storage class,插上就被 usb-storage 驱动自动接管,不用写专属驱动。只有"非标准 USB 设备"才需要写专属 usb_driver。

动手试试 ​

  1. lsusb(宿主机)看 USB 设备树;lsusb -v 看某设备的配置/接口/端点(对照本篇第一节)
  2. 插拔 USB 设备,dmesg 看 USB core 枚举/匹配驱动的过程
  3. 读 drivers/usb/usb-skeleton.c(内核自带的 USB 驱动骨架)——它就是写 USB 设备驱动的标准模板
  4. 进阶:usbmon(Documentation/usb/usbmon.rst)抓 USB 总线数据包,调试 USB 通信
  5. 思考题:为什么 USB 设备驱动绑定到"接口"而非"设备"?(提示:USB 复合设备)

延伸阅读 ​

  • 源码(本仓库 third_party/linux/,6.19.9):include/linux/usb.h(struct usb_driver/struct urb/usb_submit_urb/usb_fill_*_urb/usb_alloc_urb/usb_free_urb)、include/linux/mod_devicetable.h(struct usb_device_id);USB core drivers/usb/core/(urb.c/driver.c/hub.c);HCD drivers/usb/host/(xhci/ehci/ohci);类驱动 drivers/usb/storage//serial//input/hid/;骨架 drivers/usb/usb-skeleton.c。
  • kernel.org:USB、Writing USB drivers、Documentation/usb/。
  • 关联本站:本篇是 00 driver model 的 USB 子系统类型;USB 是另一条 bus(usb_bus_type),match/probe 框架同源;URB 异步回调和 12 线程化中断 的 thread_fn 都是"硬件完成回调"范式。

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