大胆盘一盘linux-usb

一、导读

本文主要描述linux的usb子系统，此子系统较为庞大，且usb本身也比较复杂，本文姑且跳过这些复杂的话题，首先对usb做一个简单描述，接着会基于linux从硬件和软件视角描述usb结构和框图。

（1-1）USB简介

USB（ Universal Serial Bus）是通用串行总线，用于计算机与外部设备的连接和通信。现如今USB接口可以说是随处可见，得到了大范围的应用。

从USB发展史来看，出现了几个版本：USAB1.0、USB2.0、USB3.0、USB4.0

• USB1.0：USB 规范于 1995 年第一次发布，由 Intel、IBM、Microsoft 等公司组成的 USB-IF(USB Implement Forum)组织提出。USB-IF 与 1996 年正式发布 USB1.0，理论速度为 1.5Mbps。1998 年 USBIF 在 USB1.0 的基础上提出了 USB1.1 规范。

• USB2.0：USB2.0 依然由 Intel、IBM、Microsoft 等公司提出并发布，USB2.0 分为两个版 本:Full-Speed 和 High-Speed，也就是全速(FS)和高速(HS)。USB2.0 FS 的速度为 12Mbps，USB2.0 HS 速度为 480Mbps。目前大多数单片机以及低端 Cortex-A 芯片配置的都是 USB2.0 接口。

• USB3.0：最大理论传输速度为 5.0Gbps，USB3.0引入了全双工数据传输，USB2.0 的 480Mbps 为半双工。USB3.0 中有两根线用于发送数据，另外两根用于接收数据。除此之外，在USB3.0的基础上又提出了USB3.1、USB3.2等规范。

• USB4.0：USB4 1.0规范于2019年8月发布，速度提升到了 40Gbps。

二、USB硬件视角

（2-1）各式各样的USB接口

USB接口经过近20年的演化过程，产生了非常多的分支，常见接口总结如下：

• USB A

• USB B

• Micro USB / Mini USB

• USB TypeC

• USB规范

• 接头类型

（2-2）USB硬件方案

小生对比了目前常见的一些处理器，发现对USB硬件部分IP大多遵循以下结构：

• 直接连接

• 使用Hub扩展多个USB物理接口，例如GL850G USB2.0 Hub芯片，结构框图总结如下：

例如瑞芯微rk3568处理器的USB部分：

UTMI是USB的PHY协议，英文全称USB 2.0 Transceiver Macrocell Interace。UTMI+则是由UTMI发展而来，为USB系统增加了主机和OTG功能。协议升级到UTMI+之后UTMI就被定义为UTMI LEVEL0，如下图所示：

三、Linux-USB软件视角

• USB Core核心

USB核心由一系列基础代码组成，这些基础代码包括了用于描述USB子系统的结构体和相关函数实现，这些函数供主机控制器驱动（HCD）和USB客户驱动程序使用，还用于导出相关的接口到用户空间，例如usbfs文件系统。

• HOST控制器驱动

对于常见、主流的USB HOST控制器驱动，在linux内核中都提供有对应的驱动程序，例如：UHCI、OHCI、EHCI、xHCI。如果处理器的USB HOST控制器符合标准的控制器规范，则可以直接使用内核提供的标准HOST控制器驱动。

• HUB驱动

在USB主机控制器中一般内嵌了一个叫根集线器的硬件，HUB驱动则用于驱动这个硬件。

linux内核USB子系统下提供了基础设施或者辅助线程用于监测USB端口状态变化和配置热插拔设备，通常情况下该线程处于睡眠状态，当Hub驱动程序检测到USB端口状态变化后，该内核线程被立马唤醒执行对应的操作。

• 客户端驱动程序

客户端驱动程序是用于操作具体USB设备的驱动程序。

对于USB端到端的操作，往往需要USB子系统配合其他的内核层来共同完成。例如：一个USB-蓝牙键盘，则需要USB子系统、蓝牙层、input子系统和tty层来共同完成。