USB设备驱动

在嵌入式Linux设备中，USB设备驱动涉及主机控制器驱动（如UHCI、EHCI、XHCI）、主机（Host）与设备（Device）模式、OTG功能及带宽限制等核心内容，以下是具体详解：

一、主机控制器驱动：UHCI、EHCI、XHCI

UHCI（Universal Host Controller Interface）

定位：Intel设计的USB 1.1（低速/全速，1.5Mbps/12Mbps）主机控制器驱动。特点：硬件实现简单，但软件复杂度高（需处理大量底层事务）。应用场景：早期嵌入式设备或资源受限系统。

EHCI（Enhanced Host Controller Interface）

定位：USB 2.0（高速，480Mbps）主机控制器驱动。特点：硬件加速事务处理，软件复杂度降低，性能优于UHCI。兼容性：通常与UHCI/OHCI（低速/全速）共存，形成分层架构。

XHCI（eXtensible Host Controller Interface）

定位：USB 3.0/3.1/3.2（超速，5Gbps/10Gbps）主机控制器驱动。特点：统一支持所有速度模式，支持多设备并行传输，功耗优化。优势：成为现代嵌入式设备的主流选择，尤其需高速传输的场景（如摄像头、存储设备）。

二、USB Host与Device模式

Host模式

角色：主动发起数据传输，管理总线资源（如PC、嵌入式开发板）。驱动架构： 主机控制器驱动（如UHCI/EHCI/XHCI）：处理硬件层事务。设备驱动：通过USB核心层（USB Core）与硬件交互，实现具体功能（如U盘、鼠标驱动）。 数据传输：通过URB（USB Request Block）结构体提交传输请求。

Device模式

角色：被动响应主机请求，如嵌入式设备模拟U盘（Gadget驱动）。驱动架构： UDC（USB Device Controller）驱动：控制硬件寄存器。Gadget Function驱动：实现具体功能（如大容量存储、串口转换）。 应用场景：设备间直接通信（如手机连接打印机）。

三、USB OTG（On-The-Go）

功能

允许设备在Host和Device模式间动态切换，无需PC介入（如手机连接U盘）。关键协议： HNP（Host Negotiation Protocol）：USB 2.0中协商主机角色。SRP（Session Request Protocol）：唤醒休眠主机。

硬件支持

ID引脚：通过电平高低判断默认角色（ID=0为Host，ID=1为Device）。双角色控制器：如嵌入式SoC集成OTG控制器，支持软件强制切换模式（通过 /sys/bus/platform/drivers/usb20_otg/force_usb_mode）。

四、USB带宽限制

理论带宽

USB 2.0：480Mbps（60MB/s），但实际受协议开销、传输类型影响。 控制传输：保留10%（低速/全速）或20%（高速）带宽，用于配置设备。批量传输：无保留带宽，仅在总线空闲时使用剩余资源（如U盘）。中断/同步传输：优先分配带宽（如鼠标、摄像头）。 USB 3.0+：5Gbps（超速），但多设备共享时需动态分配。

USB Hub的影响

带宽共享：所有连接设备共享上行端口带宽。 USB 2.0 Hub：下行端口全速设备共享480Mbps，低速设备（1.5Mbps）影响较小。事务转换器（TT）： STT（Single TT）：4个下行端口共享1个TT，带宽竞争激烈。MTT（Multi TT）：每个端口独立TT，带宽分配更均衡（如FE1.1芯片）。 SuperTT技术：USB 3.0 Hub突破限制，允许USB 2.0设备共享5Gbps带宽。 实际表现： 若多个高速设备（如摄像头、硬盘）连接同一Hub，可能因带宽不足导致性能下降。低速设备（如键盘）对高速设备带宽影响可忽略。

五、优化建议

带宽分配： 避免在USB 2.0 Hub上同时连接多个批量传输设备（如U盘+扫描仪）。优先使用USB 3.0+接口及支持MTT/SuperTT的Hub。 驱动调试： 通过 dmesg查看设备枚举信息，确认带宽分配是否合理。使用 usbip工具限制远程设备带宽，避免占用本地资源。 硬件选型： 选择集成XHCI控制器的SoC（如i.MX8M），支持多设备并行传输。选用支持USB 3.0的嵌入式开发板（如Raspberry Pi 4），提升外设兼容性。