1、Linux USB 子系統

Linux系統內核中早已集成了較為完善的USB協議堆疊，由于其規模龐大，包含多個類別的設備驅動，所以Linux系統中的USB協議堆疊也被稱為USB子系統，

2、Linux USB 設備驅動結構

Gadget驅動指的是運行在設備中的韌體，也就是USB設備驅動模型，
Linux Gadget 三個軟體層：

1. USB設備控制器層
2. Gadget設備層
3. USB功能驅動層

完整的 USB設備端軟體是由這三層軟體層融合在一起來實作 USB 設備的功能，下面我們看下他們是如何串起來的，
在 USB 設備層定義了并初始化了一個結構體 struct usb_composite_driver，這個結構體中定義了一些函式指標，并且在 USB 設備層實作了這些函式，這些函式是融合 USB 設備層與上層軟體功能驅動層的關鍵函式，資料結構只是完成了軟體架構的構建， 如果需要融合還需 要函式的呼叫，在這里這個函式就是usb_composite_register，這個函式在 USB 設備層中實作，提供給上層軟體功能驅動層來呼叫，當功能軟體層呼叫這個函式成功后，USB 設備層與上層軟體就融合在了一起，這個函式呼叫還觸發了 USB 設備層呼叫 usb_gadget_register_driver，從而完成USB 設備層與下層軟體的融合，這樣三層軟體都融合在了一起，組成了完整的 USB 設備端軟體，

2.1、UDC 設備控制器層

UDC設備控制器層與硬體相關，由于UCD的設計和實作不僅限于一個家廠商，不同廠商的UCD IP核會有特性上的差異，所以UDC驅動也分為兩部分，上層是UDC Core，它是對各類UDC IP的功能的抽象，為Gadget設備層提供統一介面，重要的資料結構

static struct udc {
struct usb_gadget gadget;
struct usb_gadget_driver *driver;
struct device dev;
struct list_head list;
};

udc意為USB設備控制器（ USB Device Controller），其結構中包含了usb_gadget和usb_gadget_driver兩個重要的資料結構：

• usb_gadget結構體代表一個從機設備驅動，它是對控制器的抽象，向上層提供控制器的I/O相關和非I/O相關的兩類服務，分別對應其結構成員中的usb_gadget_ops和usb_ep資料結構；
• usb_gadget_driver結構是從gadget設備驅動層傳遞下來的，是gadget設備驅動層的核心資料結構，最終也會掛載在udc結構中， UDC層的一項基本任務是向上層提供usb_gadget_probe_driver()介面函式，并實作為usb_gadget服務的相關函式，這些函式將通過usb_gadget結構回傳到gadget設備層，另外， UDC層還需要提供gadget設備的中斷服務程式，在USB協議中，傳輸一般都是由主機發起的， gadget設備驅動只有通過中斷來判斷是否有傳輸請求，中斷處理程式作業在整個USB gadget驅動架構的第一現場，
  

由于USB設備控制器一般是以IP核授權的方式集成在SOC中，所以，在Linux系統的UDC IP核心驅動會以平臺設備的方式注冊到系統中，在驅動的探測函式中完成控制器時鐘及相關資料結構初始化，獲得控制器的物理地址并向內核申請中斷，開辟udc結構體所需資源并初始化usb_gadget資料結構，最后通過呼叫UDC核心提供的usb_add_gadget_udc函式來注冊gadget服務，

2.2、Gadget設備層

Gadget設備層屬于硬體無關層，相關代碼在kernel/drivers/usb/gadget/composite.c檔案中實作， Gadget設備層把Gadget功能驅動與硬體相關的UDC層隔離開來，并向Gadget功能驅動提供統一的UDC應用介面，Gadget功能驅動著重于USB功能的子協議實作， UDC層則重點關注自身IP的物理特性和作業機制，若無Gadget設備層，每個功能驅動都要實作自己的Gadget設備，如此將導致嚴重的代碼重用，

Gadget設備層與UDC設備控制器層的互動是通過兩個結構體和一個函式進行的，第一個結構體usb_gadget在DCD設備控制器驅動中已經初始化，另一個結構體usb_gadget_driver會在本層中初始化，然后通過usb_gadget_probe_driver()傳入到DCD設備控制器層賦值到udc驅動中，將Gadget設備驅動與DCD設備控制器驅動相互關聯起來，

另外， DCD設備控制器驅動會呼叫的usb_gadget_driver中的bind()函式，把usb_gadget資料結構及其服務回傳到Gadget設備層； usb_gadget_driver中的setup()函式指標是Gadget設備驅動的中斷服務程式的重要組成部分，設備在列舉階段的互動都要跳轉到這里， setup ()函式指標會指向composite_setup()函式，在其中在分類處理標準主機請求和自定義主機請求，

struct usb_gadget_driver {
	(*bind)(); (*unbind)();
	(*setup)(); (*disconnect)();
	(*suspend)(); (*resume)();
};

Gadget設備層與Gadget功能驅動通過資料結構usb_composite_dev以及函式usb_composite_probe()進行互動：

struct usb_composite_dev {
	usb_gadget *gadget;
	usb_request *req;
	usb_configuration *config;
	usb_composite_driver *driver;
};

usb_composite_dev結構代表一個USB gadget設備， 該結構中包含設備描述符和配置資訊，其中usb_gadget結構的實體是從UDC層回傳而來，回傳機制為UDC層呼叫usb_gadget_driver的bind()函式指標，該函式指標指向定義在Gadget設備層的composite_bind()函式，該函式中首先定義了usb_composite_dev結構的實體，再將UDC層的usb_gadget賦值到usb_composite_dev中； req成員是用于向UDC層分配資料傳輸任務的，通常列舉程序中主機請求的設備資訊都使用此資料結構傳遞到UDC層，

usb_composite_dev中的driver的資料結構型別為usb_composite_driver，它的實體是在gadget功能驅動中定義的， 在呼叫usb_composite_probe()注冊函式傳遞到gadget設備層，最后同樣在composite_bind()函式中賦值給usb_composite_dev的driver成員，完成設備和驅動的匹配，其結構如下：

struct usb_composite_driver {
	usb_gadget_driver gadget_driver;
	(*bind)(); (*unbind)();
	(*suspend)(); (*resume)(); (*disconnect)();
};

usb_composite_driver結構代表一個USB gadget設備驅動，是USB gadget設備關聯Gadget功能驅動的核心資料結構，其中的bind()函式指標是指向Gadget功能驅動層中的function_bind()函式，在Gadget設備層的核心函式usb_composite_probe()中定義usb_gadget_driver資料結構實體并將usb_composite_driver的gadget_driver成員指向它，后續底層udc資料結構中的driver也將指向該usb_gadget_drive實體，

2.3、Gadget 功能驅動層

Gadget功能驅動層位于USB gadget驅動框架的最頂層，著重于功能相關的子協議實作，USB協議中的介面（ Interface）的就在該層中體現， Linux系統中實作了如下標準功能介面驅動：

• 通信設備類介面： CDC（ Communication Device Class）
• Android 除錯介面： ADB（ Android Debug Bridge）
• 人機介面設備介面： HID（ Human Interface Device）
• 媒體傳輸協議介面： MTP（ Media Transfer Protocol）
• 大容量存盤介面： UMS（ USB Mass storage）
• 用戶模式檔案系統介面：Gadget File System
• 串行通信介面： Serial Function
• 音頻類介面： Audio Class
• 視頻類介面： Video Class

Gadget設備的composite體系提供了一套資料結構和相應的介面函式用于建立Gadget 組合設備驅動，支持一個配置下有多個功能，一個典型的應用是Android系統中USB gadget 設備，功能驅動的設備和配置在drivers/usb/gadget/android.c 檔案中實作的，功能介面包含Mass storage、 Rndis、Accessory、 MTP以及ADB除錯埠，可根據應用需求自由增減， android.c 檔案定義了struct usb_configuration 資料結構的實體（ android_config_driver），它代表USB設備的一個配置，當該檔案中的android_bind()函式被呼叫時，會通過usb_add_config()和usb_add_function()這兩個函式將組合設備中所涉及到的功能驅逐一動添加到該配置中，

Gadget功能驅動作為一個獨立模塊注冊到內核中，模塊init函式呼叫usb_composite_probe()函式，把一個usb_composite_driver結構的實體傳入Gadget設備層， usb_composite_driver結構中的bind()函式也將在USB gadget設備驅動中的composite_bind()函式中呼叫，結果是成功的將三層結構串聯起來，