USB 存储与基本输入

配置与范围

CONFIG_USB_EHCI_HCD 选择 PCI EHCI 主机驱动，y 内置，m 生成 drivers/usb/ehci/ehci.ko。defconfig 默认内置。USB 的通用注册、延迟维护、 boot HID 解码和 BOT/SCSI 协议代码内置；控制器、设备绑定与 DMA 属于 HCD owner，不产生无法卸载的自引用。

CONFIG_USB_XHCI_HCD 选择 PCI xHCI 主机驱动，y 内置、m 生成 drivers/usb/xhci/xhci.ko，defconfig 默认内置。xHCI 支持根端口或 Hub 后的 SuperSpeed/SuperSpeedPlus BOT 存储，以及 USB 2.0/1.x BOT 存储和 boot HID 键盘/相对鼠标。xHCI 根据控制器的 Supported Protocol 能力和端口报告的原始 Protocol Speed ID 选择速度，不能由控制器存在推断设备速度。speed=SUPER 对应支持的 5 Gbit/s SuperSpeed；speed=SUPER_PLUS 对应受支持的 USB 3.1 和 3.2 SuperSpeedPlus 协议速率。两者使用相同的 512 字节 EP0 和已支持的 SuperSpeed companion、bulk 和 interrupt 端点规则。

显式 PSI 要求已支持的 USB 协议版本、对称全双工链路及有效 LP/速率组合： USB 3.1 的 LP=1 接受 10 Gbit/s，USB 3.2 的 LP=1 接受 10/20 Gbit/s；其他 速率和保留组合不接入。PSIC=0 时仅按 xHCI 1.2c 表 7-13 和 7.2.2.1.2 的 版本默认值映射：USB 3.0 ID 4，USB 3.1 ID 4/5，USB 3.2 ID 4/5/6/7。 按规范忽略 PSI 中的 RsvdP 字段，同时保留原始 dword。非对称 Rx/Tx PSI 成对 检查但不接入；未知版本和未支持的速率不按 ID 猜测。

设备日志的 psi 保留端口报告的原始 ID，bps 是控制器提供的 PSI 速率或规范默认值，psi_raw 保留显式 PSI 原始 dword；psi_source=implied 表示没有实际 PSI dword，此时 psi_raw=00000000。USB 3.2 默认 ID 6/7 对应的等效 PSI 分别为 10/20 Gbit/s（表 7-13 的单通道描述分别为 5/10 Gbit/s）。这些值是协议能力声明，不是实测吞吐量；驱动不计算通道乘积。 目前未完成 10/20 Gbit/s 物理链路验证。

高速设备由 EHCI 处理。低速/全速设备直接接在 EHCI 根端口时，交给 companion 控制器；VMware USB 2.0 配置应同时启用 CONFIG_USB_UHCI_HCD。USB 2.0 Hub 后的低速/全速设备使用 transaction translator。USB 端口归 xHCI 控制器所有 时不能使用 EHCI 驱动。不支持的 Hub 描述符、类或端点被 明确拒绝，不影响控制器继续枚举其他根端口。这项功能不包含 OHCI、UAS、 streams、等时传输或任意 HID report descriptor 解释器，也不涵盖 USB4、Type-C 供电/角色切换或 USB 电气认证。

HID 支持 boot subclass 的键盘和相对鼠标，选择 boot protocol 后使用标准 8 字节键盘报告和至少 3 字节鼠标报告。鼠标 Y 方向为 USB 的向下为正， 移除设备时释放仍按下的键和按钮，输出使用已有 Linux evdev 输入 ABI。 非 boot/NKRO 键盘、仅支持绝对坐标的数位板不属于当前支持范围。

xHCI Hub

USB 2.0 全速／高速 Hub 和 USB 3.x Hub 使用现有 HCD 的同一模块 owner， 不需要额外的用户态 USB 服务。按 USB 拓扑生成最多五个 nibble 的 Route String；USB2 Hub 超过 14 的端口编码为 15，真实端口号仍保留在 TT 上下文。 低速／全速设备经过高速 Hub 时，Slot Context 指向隔离该低速段的高速 Hub， 跨越全速 Hub 仍继承正确的 TT slot 和端口。支持 multi-TT 的 Hub 保持 alternate zero 的 single-TT 配置，不在没有 SET_INTERFACE 的情况下设置 MTT。

USB SET_CONFIGURATION 先于 Hub 类描述符请求；第一次 xHC Configure Endpoint 命令同时设置 Hub、Number of Ports 和高速 Hub 的 TT Think Time。USB3 Hub 配置后发送 SET_HUB_DEPTH。SSP Hub 的 BOS 描述符和扩展端口状态共同决定下游 对称链路的速率，再匹配根端口协议能力里的原始 PSI ID；不能从 Hub 的上行速率 猜测下游设备速度。未支持或非对称链路明确拒绝。相同速率链路继承上游转换路径， 较低速率设备引用隔离该链路的父 Hub。

Hub interrupt IN 只将状态位图合并为待办；GET_STATUS、变化位确认、供电、 100 ms 连接去抖、端口复位和枚举由持有主机事务 gate 的维护任务执行。 普通／热复位等待有界，连接稳定期间的失败最多尝试三次，连接变化后重新计数。 USB2／USB3 使用各自的变化位和 feature selector；全局过流或本地电源丢失 撤销下游设备。控制／bulk 端点恢复先清理实际高速 Hub 的 TT 缓冲；控制端点 清除两个方向，single-TT 请求的 index 为 1。无法证明恢复成功时不继续复用 DMA。

拔掉 Hub 立即标记全部后代 disconnected，并释放按下的键／鼠标按钮。 先停止和回收叶节点；旧块设备 OFD／挂载排空之前保留父 Hub 对象及其 slot， 避免悬空的父指针和 TT 引用。重新连接创建新身份，旧打开保持 ENODEV 语义。 USB2 Hub 的端口数保留完整 8 位范围、USB3 Hub 最多 15 个端口；还受控制器实际 slot 数和 USB 拓扑层数约束。描述符长度和中断位图容量在配置硬件前校验。

QEMU usb-hub 仅实现全速 Hub；多级路由、BOT 读写、boot HID、整树拔插及 模块装卸可由该模型验证。高速 TT、SS／SSP Hub 的描述符、上下文与端口请求 有宿主硬件边界测试；不能据此宣称真实 Hub 或 10／20 Gbit/s 链路已验证。 VMware 验证未完成。

存储协议

支持接口 08/06/50：SCSI transparent command set、Bulk-Only Transport。 CBW 固定 31 字节，CSW 固定 13 字节；签名、tag、状态、residue 与实际传输 字节数都必须一致。端点 STALL 按 BOT 规则清除，phase error 执行 class reset、 清除 IN halt、清除 OUT halt。已部分执行的写请求不会自动重放。

每个接口最多接纳 16 个 LUN，支持 READ/WRITE(10/16)、READ CAPACITY(10/16)、 REQUEST SENSE、MODE SENSE 与 SYNCHRONIZE CACHE。每次块请求最多 128 个 512 字节扇区。当前文件系统/块分区路径要求逻辑扇区为 512 字节；其他几何 返回 EOPNOTSUPP，不会伪装容量或扇区大小。写保护设备可查询分区并只读 挂载；块层写入返回 EROFS。

驱动查询当前 caching mode page 08，必要时扫描完整 all-pages 响应，校验 MODE SENSE(6/10) 的实际响应长度、块描述符和完整页面。仅当设备明确报告 WCE=0、该 LUN 从注册起只读，或本驱动从未尝试向该 LUN 写入时， flush 才无需发送缓存同步命令；写回缓存或未知状态仍执行 SYNCHRONIZE CACHE， 并保留其失败。仅在设备明确以当前 sense 拒绝 10 字节命令格式时，尝试相同 全盘同步语义的 16 字节命令。传输恢复、复位或无法确认的 sense 使缓存模式证明失效， 不会通过忽略错误宣称数据已持久化。 首次写请求提交前就锁存写入尝试状态，失败、复位和成功同步均不清除它； 该优化只免除没有本驱动写入需要提交的同步，不证明未知缓存的写入可靠性。

GPT、DOS MBR/EBR 分区及不分区的文件系统均可读取。MBR/EBR 的范围、重叠、 扩展链循环和元数据占用先完成校验；损坏 GPT 的 protective MBR 不用于 绕过 GPT 校验。现有磁盘分区编辑仍要求 GPT，不会隐式转换 MBR。

没有介质的读卡器和介质更换需要重新拔插。运行中报告介质身份/几何变化或 无法确认的命令完成结果时，旧 LUN 被撤销，旧打开不会转向新介质。

DMA、执行与移除

xHCI 使用独立的有界控制器映射，不通过破坏性 BAR 大小探测访问正在运行的 固件控制器。交接前以规范强制的 Operational、根端口、所有 doorbell 和所有 interrupter 寄存器范围，按 PCI BAR 大小规则推导最小 BAR 长度。读取保留位时 按规范屏蔽 DBOFF 和 RTSOFF 的保留位。只有最小范围以内且不重叠活动寄存器的 扩展能力可供访问；映射页大小、xECP、链中偏移或记录长度均不能扩大该下界。 推导依赖控制器如实提供符合规范的 CAPLENGTH、MaxPorts、MaxSlots、MaxIntrs、 DBOFF 和 RTSOFF；这些字段不能独立证明故障或恶意控制器的实际 BAR 大小。 若扩展能力位于保守下界之外，目前会安全拒绝该控制器，即使实际 BAR 可能更大。 交接后停止控制器并关闭 bus mastering，才探测实际 BAR 并验证全部强制寄存器和 使用的扩展能力范围。扩展能力链和映射有上限；BAR 上限当前为 16 MiB。 扩展能力记录还必须避开已知 Operational、根端口、doorbell 和 runtime 中断 寄存器范围；越界或重叠时不会执行 legacy 寄存器写入。

xHCI 按控制器的 AC64 能力限制 DMA 地址，支持 32/64 字节 context、4 KiB 控制器 页面及至多 512 个 scratchpad；不支持的页面大小或更多 scratchpad 会被拒绝。 在停止状态下初始化并发布 DMA 后，先启用并确认 bus mastering，然后设置事件环 大小和 dequeue pointer，最后写入会启动事件环状态机的 ERSTBA，之后再运行控制器。 传输和事件环、context、scratchpad 和 bounce buffer 均由 HCD 拥有。事件必须与 在途命令或传输的 slot、端点及 TRB 地址匹配；短控制输入还须等待状态阶段。 无法确认的完成、停止或恢复会保留可能仍被硬件访问的 DMA，而不是将其重用。 枚举、设备回收和恢复在维护任务运行；输入报告完成由无等待的轮询路径处理。 拔出后的块设备若仍被旧文件引用，维护任务会按有界轮询间隔重试回收；主机 控制器错误会释放 HID 按键/按钮并撤销块设备 I/O，但仍保留可能由硬件访问的 DMA，直到停止和关闭 bus mastering 得到确认。 明确不支持的根端口设备在当前连接期间只枚举一次；连接状态变化后允许重新 枚举。非终止故障最多尝试三次，两次重试分别等待 25、50 个内核 tick；耗尽后 记录错误并等待连接状态变化。重置完成事件本身不会重新开启重试预算。

下列调度和 Hub 细节适用于 EHCI：

固件接管先只读取已分配 BAR0 的 capability header，通过标准 legacy support semaphore 交接，然后停止控制器与 bus mastering，最后探测完整 BAR 范围。 映射前不会为了探测大小覆盖仍被固件使用的 BAR。

所有 QH、qTD、帧表、setup 与数据缓冲来自 HCD 保留的连续页，使用 32 位 DMA mask。普通 CPU/栈指针不会直接交给设备；控制和 bulk 使用独占 bounce buffer。 更换异步/周期调度前等待对应 schedule status 清零，STOP 无法确认时保留 backing 和模块代码。等待使用独立 ACPI PM timer，不依赖 PIT 中断或其他 CPU 获取内核执行锁；没有可用 PM timer 的平台当前拒绝启用 EHCI。

IRQ 只检查已完成 HID 报告、端口变化并安排维护。枚举、hub 请求、端点恢复和 设备回收在任务上下文运行。系统调用入口、调度器空闲唤醒和用户定时器返回 均可处理待办；后两者使用调度器专用内核栈，避免维护依赖新的用户系统调用。 主机 gate 覆盖一条完整 SCSI 事务；忙时返回 EAGAIN，不会交叉使用另一条请求的端点 toggle、CSW 或 bounce buffer。

周期端点在发布前分配帧/微帧 phase，按最坏 bit stuffing、主机开销和 hub think time 估算带宽。高速每微帧最多使用 100 微秒；同一 TT 的下游工作 使用不跨帧的保守窗口，资源不足返回 ENOSPC。Hub 默认 alternate setting 作为 single-TT 使用。分离事务发生传输错误或中止后，使用实际高速 Hub 的 CLEAR_TT_BUFFER 清理；失败状态保留，在该 TT 接收下一条分离事务前重试。 调度预算中的 10 微秒主机延迟及低速 setup 余量是当前控制器假设；USB 规范 没有为所有硬件给出同一延迟上界，物理控制器与 Hub 的时序仍需分别验证。

物理移除先关闭块设备新引用，已有 OFD/挂载保留原 dev_t、回调上下文和 owner， 后续 I/O 返回 ENODEV。最后引用关闭后才注销并回收；重新插入获得新的 设备身份和动态 sd 名称，不承诺跨拔插的固定名称。打开或挂载的 U 盘阻止 rmmod ehci 或 rmmod xhci，卸载不得强制绕过引用。

验证入口与依据

内核宿主套件由 tools/tests/host-suites.list 管理，相关入口包括 tools/test_usb_storage.py、tools/test_usb_ehci.py、tools/test_usb_xhci.py、 tools/test_usb_dma.py、tools/test_module_usb_owner.py、 tools/test_block_registry.py 与 tools/test_mbr_partitions.py。 tools/tests/usb_input_probe.c 是使用 Linux evdev/POSIX 文件操作的来宾探针。 完整镜像与虚拟机编排由操作系统仓库提供，不能用宿主脚本通过代替硬件验证。

Hub 采用 USB2 第 11 章及 USB 3.2 第 10 章 的类协议。 其余协议依据为 Intel xHCI 1.2c、Intel EHCI 1.0、 USB-IF Bulk-Only Transport 1.0 和 USB-IF HID 1.11。