### USB设备驱动开发详解
#### 一、USB及驱动框架简介
##### 1.1 USB协议
USB（Universal Serial Bus）是一种广泛应用于个人电脑和其他数字设备间的通用串行总线标准，用于数据交换和电源供应。它支持多种传输类型，包括控制传输、同步传输、中断传输和批量传输。
- **控制传输**：主要用于设备初始化过程中的配置操作。
- **同步传输**：适用于实时传输数据，例如音频流。
- **中断传输**：用于周期性或非周期性的中断信号，例如鼠标点击事件。
- **批量传输**：适用于大量数据传输，如文件传输等。
USB设备通过定义不同的描述符来与主机通信。这些描述符包括设备描述符、配置描述符、接口描述符和端点描述符等。
- **设备描述符**：描述整个USB设备的基本信息。
- **配置描述符**：描述设备的配置选项，通常一个设备有多个配置。
- **接口描述符**：描述设备的一个功能部分。
- **端点描述符**：描述数据传输的具体路径。
以U盘为例，其设备描述符中包含的信息有：厂商ID、产品ID、版本号、制造商信息、产品名、序列号等。此外还有配置描述符、接口描述符以及端点描述符，分别描述了U盘的不同方面。
##### 1.2 USB驱动的体系结构
USB驱动程序可以分为主机端驱动和设备端驱动两大类。在Linux系统中，USB驱动体系结构如下：
- **USB核心**：位于最上层，负责管理所有USB相关的资源，提供统一的API供其他模块调用。
- **主机端驱动**：负责与USB主机控制器交互，实现USB协议栈的功能。
- **主机控制器驱动**：针对不同类型的主机控制器（如OHCI、EHCI、UHCI等），提供特定的驱动支持。
- **设备驱动**：根据USB设备的类型（如Mass storage、CDC、HID等）进行分类，实现对具体设备的支持。
- **设备端驱动**：负责与USB设备控制器交互，实现在设备端的USB协议栈。
- **设备控制器驱动**：为不同类型的USB设备控制器提供支持。
- **Gadget驱动**：实现具体的USB设备功能，例如作为存储设备或串口设备。
#### 二、主机端驱动
##### 2.1 主机控制器驱动
主机控制器驱动是USB主机控制器与USB核心之间的桥梁，负责将USB主机控制器的操作抽象成统一的接口供USB核心调用。以OHCI为例，其数据结构`struct usb_hcd`和`struct hc_driver`用于描述OHCI控制器的特性及其驱动接口。例如：
```c
static const struct hc_driver ohci_hc_driver = {
.description = "OHCI HCD",
.product_desc = "Open Host Controller",
.hcd_priv_size = sizeof(ohci_hcd_t),
.irq = ohci_hcd_irq,
.start = ohci_hcd_start,
.stop = ohci_hcd_stop,
.urb_enqueue = ohci_hcd_urb_enqueue,
.urb_dequeue = ohci_hcd_urb_dequeue,
.endpoint_disable = ohci_hcd_endpoint_disable,
};
```
这里`ohci_hc_driver`定义了一个OHCI控制器的驱动接口，包括描述信息、私有数据大小、中断处理函数、启动停止函数、URB（USB Request Block）的队列和出队函数等。
##### 2.2 设备驱动
设备驱动主要关注于具体的USB设备类型，例如存储设备、网络设备等。每种类型的设备都有相应的驱动程序，这些驱动程序会根据设备的描述符来识别设备类型，并实现相应的功能。例如对于存储设备，其驱动程序需要处理读写请求，管理数据缓冲区等。
#### 三、设备端驱动
##### 3.1 设备控制器驱动
设备端驱动主要关注于如何与USB控制器进行交互。这通常涉及到设备控制器的初始化、配置以及数据传输等功能。设备控制器驱动需要与硬件紧密配合，以确保正确地执行USB协议。
##### 3.2 Gadget驱动
Gadget驱动则是设备端的核心部分，它决定了设备扮演的角色，例如作为存储设备或者串口设备等。Gadget驱动通过Gadget API与USB核心进行通信，实现数据传输等功能。
#### 四、USB OTG
USB OTG（On-The-Go）是一种允许USB设备在没有主机的情况下相互通信的技术。它扩展了传统的USB概念，使得设备既可以作为主机也可以作为外设。OTG设备需要具备同时支持主机端驱动和设备端驱动的能力。在Linux系统中，实现OTG功能通常需要UDC驱动的支持，该驱动负责协调主机端和设备端的工作模式。
USB设备驱动开发涉及多方面的知识和技术，从USB协议的理解到具体驱动程序的设计与实现，都需要开发者有深入的认识和实践经验。通过了解USB驱动的体系结构及其各个组成部分，可以帮助开发者更好地理解和设计USB设备驱动程序。
