USB 采用树形拓扑结构,主机侧和设备侧的USB 控制器分别称为主机控制器(HostController)和USB 设备控制器(UDC),每条总线上只有一个主机控制器,负责协调主机和设备间的通信,而设备不能主动向主机发送任何消息。如图20.1 所示,在Linux 系统中,USB 驱动可以从两个角度去观察,一个角度是主机侧,一个角度是设备侧。

如图20.1 的左侧所示,从主机侧的观念去看,在Linux 驱动中,USB 驱动处于最底层的是USB 主机控制器硬件,在其之上运行的是USB 主机控制器驱动,主机控制器之上为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)。因此,在主机侧的层次结构中,要实现的USB 驱动包括两类:USB 主机控制器驱动和USB 设备驱动,前者控制插入其中的USB 设备,后者控制USB 设备如何与主机通信。Linux 内核USB 核心负责USB 驱动管理和协议处理的主要工作。主机控制器驱动和设备驱动之间的USB 核心非常重要,其功能包括:通过定义一些数据结构、宏和功能函数,向上为设备驱动提供编程接口,向下为USB 主机控制器驱动提供编程接口;通过全局变量维护整个系统的USB 设备信息;完成设备热插拔控制、总线数据传输控制等。

如图20.1 的右侧所示,Linux 内核中USB 设备侧驱动程序分为3 个层次:UDC 驱动程序、Gadget API 和Gadget 驱动程序。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,向上层提供与硬件相关操作的回调函数。当前Gadget API 是UDC 驱动程序回调函数的简单包装。Gadget 驱动程序具体控制USB 设备功能的实现,使设备表现出“网络连接”、“打印机”或“USB Mass Storage”等特性,它使用Gadget API 控制UDC 实现上述功能。Gadget API 把下层的UDC 驱动程序和上层的Gadget 驱动程序隔离开,使得在Linux 系统中编写USB 设备侧驱动程序时能够把功能的实现和底层通信分离。

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