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xHCI 上 USB 读写分析

news 来源：原创 2025/9/17 16:32:44

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系列文章目录

xHCI 简单分析
USB Root Hub 分析
USB Hub 检测设备

usb host 驱动之 urb
xHCI那些事儿

PCIe MMIO、DMA、TLP
PCIe配置空间与CPU访问机制
PCIe总线协议基础实战

文章目录

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一、xHCI 初始化
二、xHCI 驱动识别根集线器（RootHub）
三、发送 USB URB 包
- 1、设备描述符获取步骤
- - 步骤 1：建立事务（Setup Phase）
  - 步骤 2：数据事务（Data Phase）
  - 步骤 3：状态事务（Status Phase）
  - 步骤 4：二次获取完整描述符（可选）
  - **关键包类型总结**
  - **补充说明**
- 2、主机发送 SETUP 令牌包
- - usb_get_device_descriptor
  - usb_submit_urb
  - rh_urb_enqueue
  - rh_call_control
  - xhci_urb_enqueue

一、xHCI 初始化

在文件 drivers/usb/host/xhci-pci.c 中有 module_init(xhci_pci_init); 函数，其实现 xHCI 的初始化。

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二、xHCI 驱动识别根集线器（RootHub）

xHCI 驱动调用 xhci_pci_probe 函数识别并初始化根集线器。xhci_pci_probe 函数最终会调用 usb_add_hcd 函数来添加 HCD ，该函数中有如下代码来初始化工作队列。

// drivers/usb/core/hcd.c
int usb_add_hcd(struct usb_hcd *hcd,unsigned int irqnum, unsigned long irqflags)
{// ...init_giveback_urb_bh(&hcd->high_prio_bh);init_giveback_urb_bh(&hcd->low_prio_bh);// ...
}static void init_giveback_urb_bh(struct giveback_urb_bh *bh)
{spin_lock_init(&bh->lock);INIT_LIST_HEAD(&bh->head);INIT_WORK(&bh->bh, usb_giveback_urb_bh);
}

其初始化两个有优先级的工作队列，工作队列执行函数为 usb_giveback_urb_bh ，该函数实现了成功发送完 URB 后的清理及通知工作。

三、发送 USB URB 包

USB 可以进行批量传输、中断传输、实时传输、控制传输。我们选取控制传输 usb_get_device_descriptor 函数来说明传输响应过程。

1、设备描述符获取步骤

在 USB 设备枚举过程中，获取设备描述符 的传输包流程分为以下步骤（以标准控制传输为例）：

步骤 1：建立事务（Setup Phase）

主机发送 SETUP 令牌包

包类型：SETUP（PID=0xD）
数据方向：主机→设备

内容：包含标准请求 GET_DESCRIPTOR 的请求头（8 字节），例如：

bmRequestType = 0x80 (Host→Device, 标准请求, 接收者为设备)
bRequest = 0x06 (GET_DESCRIPTOR)
wValue = 0x0100 (描述符类型为设备描述符)
wIndex = 0x0000 (语言 ID 为 0)
wLength = 0x0012 (请求 18 字节，但首次可能仅返回前 8 字节)

步骤 2：数据事务（Data Phase）

设备返回数据包
- 包类型：DATA0（PID=0x3）
- 数据方向：设备→主机
- 内容：设备描述符的前 8 字节（包含 bLength 和 bDescriptorType 等关键字段）。
- 握手包：设备发送 ACK（PID=0x2）确认传输完成。

步骤 3：状态事务（Status Phase）

主机发送 ACK 握手包
- 包类型：ACK（PID=0x2）
- 数据方向：主机→设备
- 作用：确认设备描述符数据接收正确。

步骤 4：二次获取完整描述符（可选）

若首次仅获取前 8 字节（因端点 0 最大包长限制），主机需重新发送请求：

主机发送 SETUP 令牌包
- 包类型：SETUP（PID=0xD）
- 内容：wLength=0x0012（请求完整 18 字节）。
设备返回数据包
- 包类型：DATA1（PID=0xB，交替使用 DATA0/DATA1）
- 内容：完整设备描述符（18 字节）。
主机发送 ACK 握手包
- 包类型：ACK（PID=0x2）
- 作用：确认完整描述符接收完成。

关键包类型总结

步骤	包类型	方向	作用
建立事务	SETUP	Host→Dev	发送 GET_DESCRIPTOR 请求
数据事务	DATA0/DATA1	Dev→Host	返回描述符数据
状态事务	ACK	Host→Dev	确认数据接收完成

补充说明

首次获取限制：设备端点 0 的最大包长可能仅为 8 字节，因此首次传输可能仅返回前 8 字节。
地址分配：获取设备描述符后，主机分配新地址（通过 SET_ADDRESS 请求），后续通信使用新地址。
错误处理：若设备未响应，主机会重试或标记设备为不可用。

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【USB笔记】设备描述符Device Descriptor
USB主机是如何获取设备描述符

2、主机发送 SETUP 令牌包

主机发送 SETUP 令牌包在系统中调用大致如下：

usb_get_device_descriptor

// drivers/usb/core/message.c
usb_get_device_descriptor();usb_get_descriptor();usb_control_msg();usb_internal_control_msg();usb_alloc_urb();			// 分配 URB 空间usb_fill_control_urb();		// 填充 URBusb_start_wait_urb();		usb_submit_urb();								// 发送 URB 包wait_for_completion_timeout(&ctx.done, expire);	// 等待设备返回设备描述符

usb_submit_urb

usb_submit_urb() 将URB提交给USB核心，后者根据URB的端点类型和设备地址路由请求。

usb_submit_urb();				// 发送 URB 包usb_hcd_submit_urb();rh_urb_enqueue(hcd, urb);	// 发送对象是 RootHub，直接获取rh_call_control();			//control urbrh_queue_status(hcd, urb);		//int urb 循环检测 hub 的状态hcd->driver->urb_enqueue(hcd, urb, mem_flags); // 即调用 xhci_urb_enqueue，从设备中获取

rh_urb_enqueue

rh_urb_enqueue 处理发送给 RootHub 的 URB 包。其中 rh_queue_status 循环检测 hub 的状态，rh_call_control 处理控制传输。

rh_call_control

rh_call_control();			//control urbusb_hcd_link_urb_to_ep(hcd, urb);list_add_tail(&urb->urb_list, &urb->ep->urb_list);	// 添加到端点的 urb_list 链表中urb->hcpriv = hcd;hcd->driver->hub_control();		// 即调用 xhci_hub_control 函数usb_hcd_unlink_urb_from_ep(hcd, urb);list_del_init(&urb->urb_list);usb_hcd_giveback_urb(hcd, urb, status);list_add_tail(&urb->urb_list, &bh->head);	// 添加到工作队列中的链表里queue_work(system_bh_highpri_wq, &bh->bh);	// 触发执行 usb_giveback_urb_bh 函数// 或调用 queue_work(system_bh_wq, &bh->bh);

rh_call_control 函数用来处理发送给 RootHub 的控制传输。其通过 MMIO 直接获取相关的信息，如此处的设备描述符。同时启动工作队列，触发 usb_giveback_urb_bh 函数来对 URB 清理，同时通知 wait_for_completion_timeout 函数已完成了数据获取。

xhci_urb_enqueue

对于外接的 USB 设备（如 U 盘）的设备描述符获取，则走 hcd->driver->urb_enqueue(hcd, urb, mem_flags) ⇒ xhci_urb_enqueue 这条链路。

xhci_urb_enqueue();xhci_queue_ctrl_tx();	// 控制传输处理struct xhci_ring *ep_ring = xhci_urb_to_transfer_ring(xhci, urb);	// 即：xhci->devs[slot_id]->eps[ep_index]queue_trb();			// URB 转 TRB，并入传输环giveback_first_trb();	xhci_ring_ep_doorbell();	// 按响门铃寄存器，此时 xHCI 固件会处理此命令xhci_queue_bulk_tx();	xhci_queue_intr_tx();xhci_queue_isoc_tx_prepare();

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一、xHCI 初始化

二、xHCI 驱动识别根集线器（RootHub）

三、发送 USB URB 包

1、设备描述符获取步骤

步骤 1：建立事务（Setup Phase）

步骤 2：数据事务（Data Phase）

步骤 3：状态事务（Status Phase）

步骤 4：二次获取完整描述符（可选）

关键包类型总结

补充说明

2、主机发送 SETUP 令牌包

usb_get_device_descriptor

usb_submit_urb

rh_urb_enqueue

rh_call_control

xhci_urb_enqueue

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