鲁达 转自《内核工匠》
1、什么是USB
USB的全称是Universal Serial Bus,通用串行总线。它的出现主要是为了简化个人计算机与外围设备的连接，增加易用性。USB支持热插拔，并且是即插即用的，另外，它还具有很强的可扩展性，传输速度也很快，这些特性使支持USB接口的电子设备更易用、更大众化。
本文将从usb协议、枚举流程、host和device驱动等各方面，全面介绍Linux USB模块的工作原理和代码流程，下面就请随我一起，遨游多姿多彩而又复杂严谨的USB世界吧~
2、USB传输基础知识介绍
2.1、USB金字塔型拓扑结构
2.1.1、USB协议基础
塔顶为USB主控制器和根集线器(Root Hub)，下面接USB集线器(Hub)，集线器将一个USB口扩展为多个USB口，USB2.0规定集线器的层数最多为6层，理论上一个USB主控制器最多可接127个设备，因为协议规定USB设备具有一个7 bit的地址(取值范围为0~127，而地址0是保留给未初始化的设备使用的)。
2.1.2、NRZI编码
USB采用差分信号传输，使用的是如上图所示的NRZI编码方式：数据为0时，电平翻转；数据为1时，电平不翻转。如果出现6个连续的数据1，则插入一个数据0，强制电平翻转，以便时钟同步。上面的一条线表示的是原始数据序列，下面的一条线表示的是经过NRZI编码后的数据序列。
2.1.3、包(packet)格式
USB总线上的传输数据是以包为基本单位的，包格式如上图所示。根据PID的不同，USB协议中规定的包类型有令牌包、数据包、握手包和特殊包等。
USB芯片（硬件）会完成CRC校验、位填充、PID识别、数据包切换、握手等协议处理。
2.1.4、USB数据传输规范和约定
- USB传输是主从模式，主机负责发起数据传输过程，从机负责应答。
- USB传输使用小端结构(Little-Endian),一个字节在USB总线上的传输先后顺序为：b0 b1 b2 …b7 (与I2C相反,I2C是大端结构)。
- 数据传输方向均以主机为参考
比如启动USB传输的令牌包名称
IN令牌包 用来通知设备返回一个数据包
数据包的传输方向：主机←从机( IN )
OUT令牌包 用来通知设备将要输出一个数据包
数据包的传输方向：主机→从机( OUT )
2.1.5、四种传输模式
针对不同的数据传输场景，USB分为四种数据传输模式，这四种传输模式分别由不同的包(packet)组成，并且有不同的数据处理策略。每种数据传输模式的流程示意图以及应用场景如下：
- 控制传输—— Control Transfers
用于枚举过程，要保证数据传输过程的数据完整性。
- 批量传输—— Bulk Transfers
用于数据量大、对实时性要求不高的场合，如U盘。
- 中断传输—— Interrupt Transfers
用于数据量小的场合，保证查询频率，如鼠标、键盘。
- 同步传输(等时传输)—— Isochronous Transfers
用于数据量大、同时对实时性要求较高的场合，如音视频。
不保证数据完整性，没有ACK/NAK应答包，不进行数据重传。
2.1.6、USB设备结构及描述符
一个USB设备通常有一个或多个配置，但在同一时刻只能有一个配置；
一个配置通常有一个或多个接口；
一个接口通常有一个或多个端点；
驱动是绑定到USB接口上的，而不是整个USB设备。
枚举过程中，device将各种描述符返回给host。
2.2、Linux USB驱动总体结构
Linux USB驱动总体结构图
从Host侧看，在Linux驱动中，处于USB驱动最底层的是USB主机控制器硬件，在其上运行的是USB主机控制器驱动，在主机控制器上的为USB核心层，再上层为USB设备驱动层（插入主机上的U盘、鼠标、USB转串口等设备驱动）。主机控制器驱动负责识别和控制插入其中的USB设备，USB设备驱动控制USB设备如何与主机通信，USB Core则负责USB驱动管理和协议处理的主要工作。
从Device侧看，UDC驱动程序直接访问硬件，控制USB设备和主机间的底层通信。Gadget API是UDC驱动程序回调函数的包装。Gadget Driver具体控制USB设备功能的实现。
2.3、USB描述符
对应上述USB设备的构成，USB采用描述符来描述USB设备的属性，在USB协议的第九章(chaper 9)中，有对USB描述符的详细说明，在Linux驱动的以下文件中，定义了USB描述符的结构体，文件名直接命名为c。
设备描述符结构体
/* USB_DT_DEVICE: Device descriptor */ struct usb_device_descriptor { __u8 bLength; //该描述符结构体大小（18字节） __u8 bDescriptorType; //描述符类型（本结构体中固定为0x01) __le16 bcdUSB; //USB 版本号 __u8 bDeviceClass; //设备类代码（由USB官方分配） __u8 bDeviceSubClass; //子类代码（由USB官方分配） __u8 bDeviceProtocol; //设备协议代码（由USB官方分配） __u8 bMaxPacketSize0; //端点0的最大包大小（有效大小为8,16,32,64） __le16 idVendor; //生产厂商编号（由USB官方分配） __le16 idProduct; //产品编号（制造厂商分配） __le16 bcdDevice; //设备出厂编号 __u8 iManufacturer; //设备厂商字符串索引 __u8 iProduct; //产品描述字符串索引 __u8 iSerialNumber; //设备序列号字符串索引 __u8 bNumConfigurations; //当前速度下能支持的配置数量 } __attribute__ ((packed)); 配置描述符结构体
struct usb_config_descriptor { __u8 bLength; //该描述符结构体大小 __u8 bDescriptorType; //描述符类型（本结构体中固定为0x02) __le16 wTotalLength; //此配置返回的所有数据大小 __u8 bNumInterfaces; //此配置的接口数量 __u8 bConfigurationValue; //Set_Configuration 命令所需要的参数值 __u8 iConfiguration; //描述该配置的字符串的索引值 __u8 bmAttributes; //供电模式的选择 __u8 bMaxPower; //设备从总线提取的最大电流 } __attribute__ ((packed)); 接口描述符结构体
struct usb_interface_descriptor { __u8 bLength; //该描述符结构大小 __u8 bDescriptorType; //接口描述符的类型编号(0x04） __u8 bInterfaceNumber; //接口描述符的类型编号(0x04） __u8 bAlternateSetting; //接口描述符的类型编号(0x04） __u8 bNumEndpoints; //该接口使用的端点数，不包括端点0 __u8 bInterfaceClass; //接口类型 __u8 bInterfaceSubClass; //接口子类型 __u8 bInterfaceProtocol; //接口遵循的协议 __u8 iInterface; //描述该接口的字符串索引值 } __attribute__ ((packed)); 端点描述符结构体
struct usb_endpoint_descriptor { __u8 bLength; //端点描述符字节数大小（7个字节） __u8 bDescriptorType; //端点描述符类型编号（0x05) __u8 bEndpointAddress; //端点地址及输入输出属性 __u8 bmAttributes; //端点的传输类型属性 __le16 wMaxPacketSize; //端点收、发的最大包大小 __u8 bInterval; //主机查询端点的时间间隔 /* NOTE: these two are _only_ in audio endpoints. */ /* use USB_DT_ENDPOINT*_SIZE in bLength, not sizeof. */ __u8 bRefresh; //声卡用到的变量 __u8 bSynchAddress; } __attribute__ ((packed)); 3、USB枚举
3.1、枚举示意图
USB枚举实际上是host检测到device插入后，通过发送各种标准请求，请device返回各种USB描述符的过程。USB枚举的示意图如下：
3.2、USB标准请求的结构
上述提及的USB标准请求的结构如下：
3.2、USB标准请求的结构
上述提及的USB标准请求的结构如下：
3.3、枚举过程数据流抓取
用Bus Hound抓取的枚举过程数据流，device侧USB配置（功能组合）为mtp+adb
数据示意图如下：
4、USB gadget驱动分析
4.1、USB gadget功能框架
4.2、USB gadget驱动代码流程图
4.3、MTP interface开机启动流程代码分析
根据上面所讲的结构框图和代码流程图，结合MTP interface的实际运行流程，分析如下：
1）系统开机时，kernel启动init进程启动zygote启动孵化出systemServer进程USB Service等一系列Service启动UsbManager启动UsbDeviceManager启动。
2）U
3）init.qcom.u
usb属性配置文件
4）android.c
接收属性节点的值；向framework发送usb状态改变的uevent
5）
mtp驱动文件
映射到文件节点/dev/mtp_usb ：
配置mtp interface的描述符：
4.4 MTP传输启动流程代码分析
在"PC和Android设备建立MTP连接"后，UsbManager向MtpReceiver发送广播，接着MtpReceiver会启动MtpService，MtpService会启动MtpServer(Java层)，MtpServer(Java)层会调用底层的JNI函数。在JNI中，会打开MTP文件节点"/dev/mtp_usb"，然后调用MtpServer对象的run()方法不断的从中读取消息并进行处理。
1）frameworks\av\media\mtp\M
2）kernel\drivers\usb\gadget\
5、USB host驱动分析
5.1、URB
USB请求块(USB Request Block,URB)是USB设备驱动中用来描述与USB设备通信所用的基本载体和核心数据结构。
一个URB用来向一个特定USB设备的特定USB端点发送数据或接收数据。设备中的每个端点都处理一个URB队列。
URB的处理流程：
5.2、鼠标驱动
在Linux kernel中，drivers\hid\usbhid\和drivers\hid\usbhid\u两个驱动文件均可以支持USB鼠标，具体使用哪个驱动，取决于kernel的编译配置。下面我们就以drivers\hid\usbhid\u这个驱动文件为例，分析USB鼠标的驱动代码流程。
USB鼠标遵循USB HID(Human Interface Device)规范。
在probe中探测设备是否符合HID规范，并且创建和初始化URB:
在usb_mouse_open函数中提交URB:
执行回调函数，向user space上报input事件：
5.3、U盘驱动
5.3.1、U盘驱动框架
如上图所示，USB Device Driver识别到U盘设备后，还需要将U盘模拟为SCSI(小型计算机系统接口)设备，才能与User Space进行数据传输。相关代码路径如下：
drivers\usb\storage\unu //添加非常规设备的参数 drivers\usb\storage\u //USB Device Driver drivers\usb\storage\ //SCSI Driver 5.3.2、U盘mount流程
Linux Kernel将U盘模拟为SCSI设备后，会向vold(volume deamon)发送如下格式的Uevent：
vold的NetlinkManager接收到uevent消息后，只处理SUBSYSTEM=block的消息：
system\vold\Ne 并按以下流程完成U盘的mount：
其中vold的process_config函数会根据配置文件配置VM对象：
system\vold\main.cpp
配置文件路径：
device\qcom\msm_xxx\ 最后，vold的handlePartitionAdded函数识别并mount设备的所有分区:
system\vold\Direc