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Linux下usb设备驱动涉及的结构体

web 2025/8/25 20:13:51

一. 简介

本文简单学习一下，Linux下usb设备驱动的框架，以及涉及的结构体。

在 Linux 内核中，USB 设备驱动的设计遵循分层架构，基于内核提供的 USB 子系统框架实现。其核心目标是屏蔽硬件细节，通过统一的接口实现设备枚举、数据传输和资源管理。

二. Linux下usb设备驱动涉及的结构体

Linux USB 驱动的核心结构体之间存在明确的层次关系（设备→配置→接口→端点），以下是最关键的结构体及其作用：

1. struct usb_driver（USB 设备驱动核心）

该结构体是 USB 设备驱动的 “总入口”，定义了驱动的行为和支持的设备类型，负责找到设备，管理usb设备连接和断开的作用。核心成员如下：

struct usb_device {struct usb_device *parent;         // 父设备（如 USB 集线器）struct usb_bus *bus;               // 设备所属的 USB 总线unsigned int devnum;               // 设备在总线上的地址（1~127）enum usb_device_speed speed;       // 设备速度（低速/全速/高速/超高速）struct usb_device_descriptor descriptor;  // 设备描述符（厂商 ID、产品 ID 等）struct usb_config_descriptor *config;  // 当前激活的配置描述符struct usb_interface **interfaces;  // 设备的接口数组（一个配置包含多个接口）struct usb_host_endpoint *ep0;     // 端点 0（默认控制端点）// 其他成员（如设备状态、电源管理信息、私有数据等）...
};

2. struct usb_device（代表一个 USB 设备）

该结构体描述一个完整的 USB 设备（物理设备），包含设备的全局信息（如厂商信息、速度、配置等），核心成员如下：

struct usb_device {struct usb_device *parent;         // 父设备（如 USB 集线器）struct usb_bus *bus;               // 设备所属的 USB 总线unsigned int devnum;               // 设备在总线上的地址（1~127）enum usb_device_speed speed;       // 设备速度（低速/全速/高速/超高速）struct usb_device_descriptor descriptor;  // 设备描述符（厂商 ID、产品 ID 等）struct usb_config_descriptor *config;  // 当前激活的配置描述符struct usb_interface **interfaces;  // 设备的接口数组（一个配置包含多个接口）struct usb_host_endpoint *ep0;     // 端点 0（默认控制端点）// 其他成员（如设备状态、电源管理信息、私有数据等）...
};

3. struct usb_interface（代表设备的一个接口）

USB 设备采用 “配置→接口→端点” 的分层结构，一个设备可包含多个配置，一个配置可包含多个接口（逻辑功能单元）。struct usb_interface 描述一个接口，核心成员如下：

struct usb_interface {struct usb_host_interface *altsetting;  // 接口的可选设置（同一接口的不同配置）struct usb_host_interface *cur_altsetting;  // 当前激活的设置unsigned num_altsetting;            // 可选设置的数量struct usb_device *dev;             // 指向所属的 USB 设备struct device interface_dev;        // 接口对应的设备模型节点const struct usb_device_id *id;     // 匹配的设备 ID 信息void *private_data;                 // 驱动私有数据（通常用于存储设备上下文）// 其他成员（如接口状态、所属总线等）...
};

4. struct usb_host_endpoint 与 struct usb_endpoint_descriptor（端点相关）

端点是 USB 设备与主机通信的物理通道（单向），每个接口包含多个端点（控制传输的端点 0 除外）。
struct usb_host_endpoint 是内核中端点的表示，包含端点描述符和传输相关信息：

struct usb_host_endpoint {struct usb_endpoint_descriptor desc;  // 端点描述符（核心属性）struct usb_host_buffer *hcpriv;       // 主机控制器私有数据unsigned char *extra;                 // 端点额外描述符int extralen;                         // 额外描述符长度// 其他成员（如端点状态、传输类型等）...
};

struct usb_endpoint_descriptor 是端点的核心属性描述（来自 USB 协议规范）：

struct usb_endpoint_descriptor {__u8  bLength;            // 描述符长度（7 字节）__u8  bDescriptorType;    // 描述符类型（端点描述符为 0x05）__u8  bEndpointAddress;   // 端点地址（低 4 位为端点号，最高位为方向：1=IN，0=OUT）__u8  bmAttributes;       // 端点属性（传输类型：控制/批量/中断/同步）__le16 wMaxPacketSize;    // 最大包大小（小端序）__u8  bInterval;          // 轮询间隔（中断/同步传输用，单位：帧或微帧）
} __attribute__((packed));

5. struct usb_device_id（设备匹配 ID）

用于定义驱动支持的设备列表，内核通过该结构体匹配设备与驱动，核心成员如下：

struct usb_device_id {__u16 match_flags;         // 匹配标志（如匹配厂商 ID、产品 ID 等）__u16 idVendor;            // 厂商 ID（USB-IF 分配）__u16 idProduct;           // 产品 ID（厂商自定义）__u16 bcdDevice_lo;        // 设备版本号下限__u16 bcdDevice_hi;        // 设备版本号上限__u8  bDeviceClass;        // 设备类__u8  bDeviceSubClass;     // 设备子类__u8  bDeviceProtocol;     // 设备协议__u8  bInterfaceClass;     // 接口类__u8  bInterfaceSubClass;  // 接口子类__u8  bInterfaceProtocol;  // 接口协议kernel_ulong_t driver_info; // 驱动私有数据（传递给 probe 函数）
};

6. struct urb（USB 请求块，异步传输核心）

urb（USB Request Block）请求块，是usb设备驱动中用于描述与 usb设备通信所用的基本载体和核心数据结构。驱动通过提交 URB 来进行数据收发。

urb 请求块是 Linux USB 子系统中异步传输的核心结构体，用于描述一次异步数据传输请求，核心成员如下：

struct urb {struct list_head urb_list;      // 链表节点（用于内核管理）struct usb_device *dev;         // 目标 USB 设备unsigned int pipe;              // 传输管道（包含端点地址和方向）void *transfer_buffer;          // 传输缓冲区（用户数据）dma_addr_t transfer_dma;        // DMA 地址（用于 DMA 传输）unsigned int transfer_buffer_length;  // 缓冲区长度unsigned int actual_length;     // 实际传输长度unsigned int status;            // 传输状态（如成功、错误码）void (*complete)(struct urb *urb);  // 传输完成回调函数void *context;                  // 回调函数的上下文数据unsigned int interval;          // 传输间隔（中断/同步传输用）// 其他成员（如传输标志、端点号等）...
};

7. 其他结构体

struct usb_ctrlrequest：控制传输的请求结构，包含请求类型、命令、值等（用于 usb_control_msg()）。

struct usb_bus：描述 USB 总线（如主机控制器对应的总线），包含总线上的设备列表。

三. 总结

1. 结构体之间的层次关系

从物理设备到驱动的层次关系如下：
USB 设备（usb_device） → 包含多个 配置（usb_config_descriptor） → 每个配置包含多个 接口（usb_interface） → 每个接口包含多个 端点（usb_host_endpoint） → 驱动（usb_driver）通过 probe 绑定到接口，并使用端点进行数据传输。

Linux USB 设备驱动的结构围绕 “驱动注册→设备匹配→数据传输→资源释放” 的生命周期展开，核心结构体 usb_driver、usb_device、usb_interface、usb_host_endpoint 和 urb 分别对应驱动行为、设备全局信息、接口逻辑单元、通信端点和异步传输请求。理解这些结构体的作用及关系，是编写 USB 设备驱动的基础。

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