Linux USB设备驱动深度解析：内核架构、URB与端点描述符实战

USB（通用串行总线）是一种高度结构化与复杂的总线系统，相较于I2C、SPI等简单的串行协议，它具备独立的事务处理协议、电源管理、复杂的设备枚举机制以及四种不同的数据传输模式。在Linux系统中，USB驱动的实现基于一个庞大且高度抽象的子系统，严格遵循“主机-设备-驱动”的模型架构。

Linux内核中的USB驱动体系被清晰地划分为以下几个层次：

• USB主机控制器驱动：位于最底层，直接操作SoC上的USB主机控制器硬件（如EHCI、OHCI、XHCI），负责最底层的信号控制和物理数据传输。这一层通常由内核官方提供。
• USB核心：由内核实现，作为中间层，它负责处理USB设备的插拔事件、枚举流程、配置管理和电源管理等核心服务。
• USB设备驱动：开发者针对特定USB设备（如自定义硬件、打印机、特定键盘）编写的驱动程序。该层无需关心如何发送SOF（帧起始）包等底层细节，只需向核心层声明“需要发送或接收这些数据”。
• USB Class驱动：这是可选的通用驱动框架，针对某一类标准USB设备（如HID人机接口设备、Mass Storage大容量存储、CDC通信设备类）提供现成的接口。如果你的设备属于这些通用类别，可以直接使用这些框架，而无需从零开始开发。

深入理解USB驱动，必须掌握其面向对象的描述符结构，这是设备自我描述的“身份证”：

• 设备描述符：描述整个USB设备的基本信息，如USB协议版本、厂商ID（VID）和产品ID（PID）。
• 配置描述符：描述设备对电源的需求、支持的接口数量等信息。
• 接口描述符：最重要的描述符！它定义设备提供的具体功能，例如声明“这是一个键盘接口”或“这是一个用于数据传输的接口”。
• 端点描述符：描述数据传输的通道和方式。端点是USB设备上的数据缓冲区，决定了数据流向（IN或OUT）和传输类型（控制、中断、批量、等时）。

与I2C驱动类似，USB驱动同样通过VID/PID或设备类ID（Class ID）进行匹配，匹配成功后执行probe函数进行初始化。

驱动必须填充struct usb_driver结构体，这是USB驱动的“身份证明”：

struct usb_driver {
    const char *name;
    int (*probe) (struct usb_interface *intf, const struct usb_device_id *id);
    void (*disconnect) (struct usb_interface *intf);
    const struct usb_device_id *id_table; // 设备匹配表
    struct device_driver driver;
};

内核通过驱动提供的匹配表（id_table）来查找对应的驱动：

static const struct usb_device_id my_usb_id_table[] = {
    // 匹配特定设备的 VID/PID
    { USB_DEVICE(0x1234, 0x5678) },
    // 或者匹配某一类设备，例如所有HID设备
    { .match_flags = USB_DEVICE_ID_MATCH_INT_CLASS,
      .bInterfaceClass = USB_CLASS_HID },
    { /* 哨兵，结束标志 */ }
};
MODULE_DEVICE_TABLE(usb, my_usb_id_table);

probe函数是驱动开始工作的核心入口，其主要任务包括：

1. 获取设备指针：从传入的struct usb_interface中提取struct usb_device指针。
2. 查找端点：遍历接口的描述符，找到用于数据传输的端点（例如Bulk IN或OUT端点）。
3. 创建URB：URB（USB请求块）是USB数据传输的核心结构。它封装了数据缓冲区以及传输描述信息（如目标端点、传输类型、回调函数）。你需要为每个传输任务分配并初始化一个URB。
4. 提交URB：调用usb_submit_urb()将URB提交给USB核心层。当传输完成（无论成功或失败）时，URB中预设的回调函数将被调用，进行数据处理或错误处理。

以下是一个简化的驱动probe函数示例，展示了如何分配和提交一个用于批量接收（Bulk IN）数据的URB：

#include <linux/usb.h>

/* URB传输完成回调函数 */
static void my_usb_complete(struct urb *urb)
{
    // 检查传输状态：urb->status == 0 表示成功
    if (urb->status) {
        // 处理传输错误
        return;
    }
    // 数据接收成功，处理 urb->transfer_buffer 中的数据
    // 处理完毕后，通常需要重新提交此URB以接收后续数据包
}

static int my_probe(struct usb_interface *intf, const struct usb_device_id *id)
{
    struct usb_device *dev = interface_to_usbdev(intf);
    struct urb *my_urb;
    // 1. 假设我们已通过描述符解析得知批量输入端点地址为0x81
    __u8 bulk_in_endpoint = 0x81;

    // 2. 分配URB和数据缓冲区
    my_urb = usb_alloc_urb(0, GFP_KERNEL);
    char *transfer_buffer = kmalloc(512, GFP_KERNEL);

    // 3. 初始化URB（用于批量传输）
    usb_fill_bulk_urb(my_urb,              // URB指针
                      dev,                 // USB设备
                      usb_rcvbulkpipe(dev, bulk_in_endpoint), // 构建接收管道
                      transfer_buffer,     // 传输缓冲区
                      512,                 // 缓冲区长度
                      my_usb_complete,     // 完成回调函数
                      NULL);               // 传递给回调函数的上下文数据

    // 4. 提交URB，发起异步数据接收
    if (usb_submit_urb(my_urb, GFP_KERNEL)) {
        // 提交失败，进行错误处理
        kfree(transfer_buffer);
        usb_free_urb(my_urb);
        return -EIO;
    }

    // 可以将驱动私有数据存储到接口结构中，便于在disconnect等函数中获取
    // usb_set_intfdata(intf, my_private_data);
    return 0;
}

通过上述流程，USB设备驱动便与内核的USB子系统及网络协议栈协同工作，完成了复杂设备通信的抽象与实现。