USB协议架构及驱动架构

USB数据传输都以URB(USB Request Block)请求、URB生成、URB递交、URB释放为主线。从上图可知，当加载控制器驱动之后，注册根据集线器，hub和hcd驱动成为一个整体。接着，主机通过控制传输获取设备的控制描述符等信息，接着详述整个控制传输的流程。usb_submit_urb依据是否连接到根集线器来决定调用urb_enqueue或rh_urb_enqueue函数。
USB从设备通过集线器或根集线器连接到USB主机上。比如：主机通过根集线器与外界进行数据交互，根集线器通过探测数据线状态的变化来通知USB主机是否有USB外围设备接入。

在主机端控制器驱动加载的过程中，注册了根集线器，然后匹配了相应的hub驱动程序，同时完成了对Hub的轮询函数和状态处理函数的设置。这样，一旦hub集线器的状态发生变化，就会产生相应的中断，主机端控制器就会执行相应的中断处理函数，下图为hub驱动程序的流程图。

USB Core中的usb_init()函数中完成了对hub线程(khubd，在usb_hub_init函数中真正地创建)的创建，然后完成相应设备的探测。主机端控制器驱动进行探测时，将hub驱动和主机端控制器驱动结合在一起，相互之间完成调用。 相对于大容量存储设备与主机之间通过控制/批量传输，集线器与主机之间通过中断/控制方式完成数据交互。

3.2 USB设备端驱动

从上图可知，设备端驱动包含两部分：
1) 底层设备控制器驱动
2) 上层大容量存储类驱动

3.2.1 设备控制器驱动

USB设备控制器驱动主要实现Gadget API定义的函数和中断服务函数，可按功能划分为：API函数实现模块和中断处理模块。
API函数主要实现Gadget API定义的函数功能，如结构体usb_ep_ops和usb_gadget_ops中的函数、usb_gadget_register_driver函数。这些函数是供Gadget Driver调用。
中断处理模块主要处理设备控制器产生的各种中断，包括端点中断、复位、挂起等中断。

上图为设备端控制器基本架构，主要完成了Gadget驱动和控制器驱动绑定、usb_gadget_register_driver注册。

3.3 OTG驱动

OS_FS: 文件系统
USBD: USB核心
HCD: 主机控制器驱动
UDC: 设备端控制器驱动

OTG设备支持HNP和SRP协议。OTG设备通过USB OTG电缆连接到一起，其中接Mini-A接口的设备为A设备，默认为主机端，Mini-B接口的设备默认为B设备。当A、B设备完成数据交互之后，A、B设备之间的USB OTG电缆进入挂起状态，如下图所示：

当B设备写入b_bus_req，向A设备发起HNP请求。待A设备响应之后，A设备发送a_set_b_hnp_en，B设备响应之后即进入主机状态，同时发送请求使用A设备set_device，这样A、B设备完成主从交换。

4. USB 传输流程

4.1 USB初始化过程

USB驱动作为一个系统，集成了众多的驱动模块，注册过程非常复杂。从USB系统的角度来说，USB主机驱动主要包含：

1) USB核驱动

2) 主机控制器驱动

3) 集线器驱动

驱动的加载执行流程如下图所示：

USB初始化过程
4.1.1 USB Core的初始化

USB驱动从USB子系统的初始化开始，USB子系统的初始化在文件driver/usb/core/usb.c

subsys_initcall()是一个宏，可以理解为module_init()。由于此部分代码非常重要，开发者把它看作一个子系统，而不仅仅是一个模块。USB Core这个模块代表的不是某一个设备，而是所有USB设备赖以生存的模块。在Linux中，像这样一个类别的设备驱动被归结为一个子系统。subsys_initcall(usb_init)告诉我们，usb_init才是真正的初始化函数，而usb_exit将是整个USB子系统结束时的清理函数。

4.1.2 主机控制器的初始化及驱动执行(以EHCI为例)

module_init(otg_init); 模块注册
static init __init otg_init(void);
platform_driver_register(); 平台注册
static int __init otg_probe(struct platform_device *pdev); 探测处理函数
reg = platform_get_resource(pdev, IORESOURCE_MEM, 0); 获取寄存器信息
data = platform_get_resource(pdev,IORESOURCE_MEM, 1); 获取内存信息
irq = platform_get_irq(pdev,0); 获取中断号
usb_create_hcd(&otg_hc_driver, &pdev->dev, pdev->dev.bus_id);
分配和初始化HCD结构体。对设备数据空间进行分配，初始化计数器、总线、定时器、hcd结构体各成员值。
ret = usb_add_hcd(hcd,irq,SA_INTERRUPT);
完成HCD结构体的初始化和注册。申请buffer，注册总线、分配设备端内存空间，向中断向量表中申请中断，注册根集线器，对根集线器状态进行轮询。

4.1.3 注册集线器

register_root_hub(hcd);
在USB系统驱动加载的过程中，创建了集线器的线程(khubd)，并且一直查询相应的线程事务。HCD驱动中，将集线器作为一个设备添加到主机控制器驱动中，然后进行集线器端口的初始化。在USB主机看来，根集线器本身也是USB主机的设备。USB主机驱动加载完成之后，即开始注册根集线器，并且作为一个设备加载到主机驱动之中。
USB主机和USB设备之间进行数据交互，USB设备本身并没有总线控制权，U盘被动地接收USB主机发送过来的信息并做出响应。USB主机控制器与根集线器构成了主机系统，然后外接其它的USB设备。
为了更好地探测到根集线器的状态变化，USB主机控制器驱动增加了状态轮询函数，以一定的时间间隔轮询根集线器状态是否发生变化。一旦根集线器状态发生变化，主机控制器就会产生相应的响应。
USB主机和USB设备之间的数据传输以URB(USB Request Block)的形式进行。

4.2 URB传输过程

USB初始化过程中，无论是主机控制器驱动还是根集线器驱动，都是通过URB传输获取设备信息。

4.2.1申请URB

struct urb *usb_alloc_urb(int iso_packets, gfp_t mem_flags)
为urb分配内存并执行初始化。

4.2.2 初始化URB

初始化具体的urb包

不同的传输模式下，驱动为之申请不同的URB。其中，Linux内核只支持同步传输外的三种传输事件，ISO事务需要手工进行初始化工作。控制传输事务、批量传输事务、中断传输事务API如上所示。
三种事务传输模式下的URB初始化函数有很多相似之处，主要参数含义如下：
• urb: 事务传输中的urb
• dev: 事务传输的目的设备
• pipe: USB主机与USB设备之间数据传输的通道
• transfer_buffer: 发送数据所申请的内存缓冲区首地址
• length: 发送数据缓冲区的长度
• context: complete函数的上下文
• complete_fn: 调用完成函数
• usb_fill_control_urb()的setup_packet: 即将被发送的设备数据包
• usb_fill_int_urb()的interval: 中断传输中两个URB调度的时间间隔

4.2.3 提交URB

URB初始化完成之后，USBD开始通过usb_start_wait_urb()提交urb请求(它调用usb_submit_urb来真正的发送URB请求)，添加completition函数。
接下来，从message.c传到主机控制器(hcd.c)，开始真正的usb_hcd_submit_urb()。此时，根据是否为根集线器，进入不同的工作队列。
usb_start_wait_urb->
usb_submit_urb->
usb_hcd_submit_urb

a) root_hub传输

若为root hub，将调用rh_urb_enqueue()，共有两种传输事务(控制传输和中断传输)

b) 非root_hub传输
对于非常root_hub传输，它调用:
status = hcd->driver->urb_enqueue(hcd, urb, mem_flags);

c) 批量传输
root_hub本身没有批量传输流程，按照控制传输流程，控制传输最终要通过switch语句跳转到Bulk-Only传输流程中。