USB協議架構及驅動架構

USB數據傳輸都以URB(USB Request Block)請求、URB生成、URB遞交、URB釋放為主線。從上圖可知，當加載控制器驅動之后，注冊根據集線器，hub和hcd驅動成為一個整體。接著，主機通過控制傳輸獲取設備的控制描述符等信息，接著詳述整個控制傳輸的流程。usb_submit_urb依據是否連接到根集線器來決定調用urb_enqueue或rh_urb_enqueue函數。
USB從設備通過集線器或根集線器連接到USB主機上。比如：主機通過根集線器與外界進行數據交互，根集線器通過探測數據線狀態的變化來通知USB主機是否有USB外圍設備接入。

在主機端控制器驅動加載的過程中，注冊了根集線器，然后匹配了相應的hub驅動程序，同時完成了對Hub的輪詢函數和狀態處理函數的設置。這樣，一旦hub集線器的狀態發生變化，就會產生相應的中斷，主機端控制器就會執行相應的中斷處理函數，下圖為hub驅動程序的流程圖。

USB Core中的usb_init()函數中完成了對hub線程(khubd，在usb_hub_init函數中真正地創建)的創建，然后完成相應設備的探測。主機端控制器驅動進行探測時，將hub驅動和主機端控制器驅動結合在一起，相互之間完成調用。 相對于大容量存儲設備與主機之間通過控制/批量傳輸，集線器與主機之間通過中斷/控制方式完成數據交互。

3.2 USB設備端驅動

從上圖可知，設備端驅動包含兩部分：
1) 底層設備控制器驅動
2) 上層大容量存儲類驅動

3.2.1 設備控制器驅動

USB設備控制器驅動主要實現Gadget API定義的函數和中斷服務函數，可按功能劃分為：API函數實現模塊和中斷處理模塊。
API函數主要實現Gadget API定義的函數功能，如結構體usb_ep_ops和usb_gadget_ops中的函數、usb_gadget_register_driver函數。這些函數是供Gadget Driver調用。
中斷處理模塊主要處理設備控制器產生的各種中斷，包括端點中斷、復位、掛起等中斷。

上圖為設備端控制器基本架構，主要完成了Gadget驅動和控制器驅動綁定、usb_gadget_register_driver注冊。

3.3 OTG驅動

OS_FS: 文件系統
USBD: USB核心
HCD: 主機控制器驅動
UDC: 設備端控制器驅動

OTG設備支持HNP和SRP協議。OTG設備通過USB OTG電纜連接到一起，其中接Mini-A接口的設備為A設備，默認為主機端，Mini-B接口的設備默認為B設備。當A、B設備完成數據交互之后，A、B設備之間的USB OTG電纜進入掛起狀態，如下圖所示：

當B設備寫入b_bus_req，向A設備發起HNP請求。待A設備響應之后，A設備發送a_set_b_hnp_en，B設備響應之后即進入主機狀態，同時發送請求使用A設備set_device，這樣A、B設備完成主從交換。

4. USB 傳輸流程

4.1 USB初始化過程

USB驅動作為一個系統，集成了眾多的驅動模塊，注冊過程非常復雜。從USB系統的角度來說，USB主機驅動主要包含：

1) USB核驅動

2) 主機控制器驅動

3) 集線器驅動

驅動的加載執行流程如下圖所示：

USB初始化過程
4.1.1 USB Core的初始化

USB驅動從USB子系統的初始化開始，USB子系統的初始化在文件driver/usb/core/usb.c

subsys_initcall()是一個宏，可以理解為module_init()。由于此部分代碼非常重要，開發者把它看作一個子系統，而不僅僅是一個模塊。USB Core這個模塊代表的不是某一個設備，而是所有USB設備賴以生存的模塊。在Linux中，像這樣一個類別的設備驅動被歸結為一個子系統。subsys_initcall(usb_init)告訴我們，usb_init才是真正的初始化函數，而usb_exit將是整個USB子系統結束時的清理函數。

4.1.2 主機控制器的初始化及驅動執行(以EHCI為例)

module_init(otg_init); 模塊注冊
static init __init otg_init(void);
platform_driver_register(); 平臺注冊
static int __init otg_probe(struct platform_device *pdev); 探測處理函數
reg = platform_get_resource(pdev, IORESOURCE_MEM, 0); 獲取寄存器信息
data = platform_get_resource(pdev,IORESOURCE_MEM, 1); 獲取內存信息
irq = platform_get_irq(pdev,0); 獲取中斷號
usb_create_hcd(&otg_hc_driver, &pdev->dev, pdev->dev.bus_id);
分配和初始化HCD結構體。對設備數據空間進行分配，初始化計數器、總線、定時器、hcd結構體各成員值。
ret = usb_add_hcd(hcd,irq,SA_INTERRUPT);
完成HCD結構體的初始化和注冊。申請buffer，注冊總線、分配設備端內存空間，向中斷向量表中申請中斷，注冊根集線器，對根集線器狀態進行輪詢。

4.1.3 注冊集線器

register_root_hub(hcd);
在USB系統驅動加載的過程中，創建了集線器的線程(khubd)，并且一直查詢相應的線程事務。HCD驅動中，將集線器作為一個設備添加到主機控制器驅動中，然后進行集線器端口的初始化。在USB主機看來，根集線器本身也是USB主機的設備。USB主機驅動加載完成之后，即開始注冊根集線器，并且作為一個設備加載到主機驅動之中。
USB主機和USB設備之間進行數據交互，USB設備本身并沒有總線控制權，U盤被動地接收USB主機發送過來的信息并做出響應。USB主機控制器與根集線器構成了主機系統，然后外接其它的USB設備。
為了更好地探測到根集線器的狀態變化，USB主機控制器驅動增加了狀態輪詢函數，以一定的時間間隔輪詢根集線器狀態是否發生變化。一旦根集線器狀態發生變化，主機控制器就會產生相應的響應。
USB主機和USB設備之間的數據傳輸以URB(USB Request Block)的形式進行。

4.2 URB傳輸過程

USB初始化過程中，無論是主機控制器驅動還是根集線器驅動，都是通過URB傳輸獲取設備信息。

4.2.1申請URB

struct urb *usb_alloc_urb(int iso_packets, gfp_t mem_flags)
為urb分配內存并執行初始化。

4.2.2 初始化URB

初始化具體的urb包

不同的傳輸模式下，驅動為之申請不同的URB。其中，Linux內核只支持同步傳輸外的三種傳輸事件，ISO事務需要手工進行初始化工作。控制傳輸事務、批量傳輸事務、中斷傳輸事務API如上所示。
三種事務傳輸模式下的URB初始化函數有很多相似之處，主要參數含義如下：
• urb: 事務傳輸中的urb
• dev: 事務傳輸的目的設備
• pipe: USB主機與USB設備之間數據傳輸的通道
• transfer_buffer: 發送數據所申請的內存緩沖區首地址
• length: 發送數據緩沖區的長度
• context: complete函數的上下文
• complete_fn: 調用完成函數
• usb_fill_control_urb()的setup_packet: 即將被發送的設備數據包
• usb_fill_int_urb()的interval: 中斷傳輸中兩個URB調度的時間間隔

4.2.3 提交URB

URB初始化完成之后，USBD開始通過usb_start_wait_urb()提交urb請求(它調用usb_submit_urb來真正的發送URB請求)，添加completition函數。
接下來，從message.c傳到主機控制器(hcd.c)，開始真正的usb_hcd_submit_urb()。此時，根據是否為根集線器，進入不同的工作隊列。
usb_start_wait_urb->
usb_submit_urb->
usb_hcd_submit_urb

a) root_hub傳輸

若為root hub，將調用rh_urb_enqueue()，共有兩種傳輸事務(控制傳輸和中斷傳輸)

b) 非root_hub傳輸
對于非常root_hub傳輸，它調用:
status = hcd->driver->urb_enqueue(hcd, urb, mem_flags);

c) 批量傳輸
root_hub本身沒有批量傳輸流程，按照控制傳輸流程，控制傳輸最終要通過switch語句跳轉到Bulk-Only傳輸流程中。