理解 Linux USB sysfs

七月 03, 2026 #linux #usb

`lsusb` 输出解读

以一个 QEMU 虚拟机的输出为例：

Bus 001 Device 001: ID 1d6b:0002 Linux Foundation 2.0 root hub
Bus 001 Device 002: ID 0627:0001 Adomax Technology Co., Ltd QEMU Tablet
Bus 002 Device 001: ID 1d6b:0003 Linux Foundation 3.0 root hub

每行格式为 Bus XXX Device YYY: ID vvvv:pppp VendorName ProductName：

字段	含义
`Bus 001`	USB 总线编号
`Device 001`	该总线上的设备编号（按枚举顺序分配）
`ID 1d6b:0002`	VID (Vendor ID，由 USB-IF 分配) + PID (Product ID，厂商自定义)
`Linux Foundation ...`	从 `/usr/share/hwdata/usb.ids` 查表得到的人类可读名称

以上三行表示两台设备：

1d6b:0002 — USB 2.0 根集线器（xHCI 控制器在 USB 2.0 侧的抽象）
0627:0001 — QEMU 虚拟 USB Tablet（模拟触控/鼠标输入）
1d6b:0003 — USB 3.0 根集线器（同一控制器在 USB 3.0 侧的抽象）

`lsusb -tv` 树状拓扑

-t 显示层级拓扑，-v 显示详细信息：

/:  Bus 001.Port 001: Dev 001, Class=root_hub, Driver=xhci_hcd/15p, 480M
    ID 1d6b:0002 Linux Foundation 2.0 root hub
    |__ Port 001: Dev 002, If 0, Class=Human Interface Device, Driver=usbhid, 480M
        ID 0627:0001 Adomax Technology Co., Ltd QEMU Tablet
/:  Bus 002.Port 001: Dev 001, Class=root_hub, Driver=xhci_hcd/15p, 5000M
    ID 1d6b:0003 Linux Foundation 3.0 root hub

字段	含义
`/`	USB 拓扑的根节点
`Bus 001`, `Bus 002`	分别对应 USB 2.0 总线和 USB 3.0 总线
`Port 001`, `Port ...`	物理端口号
`Dev N`	设备编号
`Class=root_hub`	设备类别（根集线器 / HID 等）
`Driver=xhci_hcd/15p`	绑定驱动和下游端口数（15 个端口）
`480M`	链路速率 480 Mbps (USB 2.0 High-Speed)
`5000M`	链路速率 5 Gbps (USB 3.0 SuperSpeed)
`\|__`	缩进表示子设备，连接在本集线器的某个端口上
`If 0`	Interface 0（一个设备可同时暴露多个接口）
`Class=Human Interface Device`	接口类别为 HID（键盘/鼠标/触控类）
`Driver=usbhid`	绑定驱动

sysfs 路径命名规则

设备在 /sys/bus/usb/devices/ 中的路径名由三部分构成：

<总线>-<端口路径>:<配置>.<接口>

bus-part（总线部分）

示例	含义
`usb1`	USB Bus 1 的虚拟根设备（唯一不带端口路径的特例）
`usb2`	USB Bus 2 的虚拟根设备

port-path（端口路径部分）

端口路径从根集线器向下逐级编号，用 - 分隔第一个端口与总线，后续层级都用 .。

示例	含义
`1-0`	Bus 1 上的根集线器本身（port 0 仅为占位符，非真实端口）
`1-1`	Bus 1 根集线器的 Port 1
`1-2`	Bus 1 根集线器的 Port 2
`1-1.2`	Bus 1 → 根 Port 1 上的下游集线器 → 该集线器的 Port 2
`1-1.2.3`	再延伸一级：Port 2 下级集线器的 Port 3
`3-2.1.4`	Bus 3 → Port 2 → 集线器 Port 1 → 集线器 Port 4

规则概括： - 只出现一次，作为总线号与端口链的分隔符；0 仅用于根集线器作为设备自身被引用时。

config.interface（配置与接口部分）

USB 设备层次为：Device → Configuration → Interface → Endpoint。

示例	含义
`1-1`	设备级别（无配置/接口信息）
`1-1:1.0`	设备，配置 1，接口 0
`1-1:1.1`	同一设备的配置 1 下的接口 1（复合设备可多接口）
`1-1:2.0`	同一设备的配置 2 下的接口 0（多配置设备）
`1-0:1.0`	根集线器作为设备，配置 1，接口 0

综合示例

在 /sys/bus/usb/devices/ 中的一个多层拓扑可能长这样：

usb1                    ← Bus 1 根设备
1-0:1.0                 ← Bus 1 根集线器接口
1-1                     ← 根 Port 1 上的设备
1-1:1.0                 ← 该设备，配置 1 接口 0
1-1:1.1                 ← 该设备，配置 1 接口 1（复合设备）
1-1.2                   ← 该设备是个下游集线器，其 Port 2 上的设备
1-1.2:1.0
1-1.2.3                 ← 下游集线器 Port 3 上的设备
1-1.2.3:1.0

usb2                    ← Bus 2 根设备
2-0:1.0
2-1                     ← Bus 2 根 Port 1
2-1:1.0

端点（Endpoint）

端点是 USB 通信的最终收发单元，位于整个层次的最底层：

Device → Configuration → Interface → Endpoint

EP0：设备级的控制端点

EP0 属于设备，不属于任何接口。 每个 USB 设备强制拥有 EP0，在配置和接口建立之前就已存在。EP0 是双向控制端点，用于：

获取设备/配置/接口/端点描述符
设置地址（SET_ADDRESS）
选择配置（SET_CONFIGURATION）
厂商自定义的控制命令

任何接口都不能声明或占用 EP0。

端点资源与分配

USB 端点地址由 4 位端点号 + 1 位方向组成，规范限制每个设备最多 16 个端点号（EP0 ~ EP15）：

端点地址字节: [D7 = 方向: 1=IN, 0=OUT] [D3..D0 = 端点号]

EP1 OUT = 0x01    EP1 IN = 0x81
EP2 OUT = 0x02    EP2 IN = 0x82

扣除强制占用的 EP0，剩余 15 个端点号（EP1 ~ EP15），每个号可分配 IN 和 OUT 两个方向，因此单方向计最多 30 个端点（不含 EP0）。

端点号是设备级资源：一个端点号在给定配置内只能被一个接口独占，不能跨接口共用。

设备端点池：EP1 IN, EP1 OUT, EP2 IN, EP2 OUT, ..., EP15 IN, EP15 OUT
              │                   │
              │      Interface 0  │      Interface 1
              └───────────────────┴──────────────────────
                 各自领走端点，同一个端点号不会出现在两个接口里

注意 EP1 IN 和 EP1 OUT 虽然共用端点号 1，但是两个独立的端点，各占端点池的一个位置。

一个接口可以独占所有剩余端点（如一个复杂的 UVC 摄像头用掉 6~8 个），也可以多个接口分摊。总之是瓜分，不是共享。

端点类型

类型	用途	典型场景
Control	设备配置/命令	EP0（设备级）
Interrupt	低延迟、小数据量	HID 键盘/鼠标
Bulk	大数据量、无延迟保证	Mass Storage、串口
Isochronous	固定带宽、允许丢包	摄像头、音频

常见接口的端点使用

设备类型	接口数	端点
HID 键盘	1	1 IN interrupt
HID 鼠标+键盘	2	2 IN interrupt（各 1 个）
Mass Storage（U 盘）	1	1 IN bulk + 1 OUT bulk
CDC ACM（串口）	2	1 IN bulk + 1 OUT bulk + 1 IN interrupt（通知）
UVC 摄像头	2~3	1 isochronous IN + alternate settings 的多组 isochronous 端点

多配置（Multiple Configurations）

USB 规范允许一个设备有多个配置（Configuration），但同一时刻只有一个配置生效，且互相排斥。

什么时候用多配置

场景	配置 1	配置 2
低功耗模式	全功能（键盘+鼠标），耗电高	仅键盘，耗电低
固件升级	正常工作模式	DFU (Device Firmware Upgrade)
多用途	CDC ECM（网卡）	其他功能
兼容性	USB 3.0 全速	降级 USB 2.0

实际上，99.9% 的设备只有一个配置。

配置的选择与切换

设备插入后，内核自动遍历所有配置描述符，并默认激活配置 1。可以通过 sysfs 手动切换：

# 查看当前激活的配置
cat /sys/bus/usb/devices/1-1/bConfigurationValue
# → 1

# 查看设备支持几个配置
cat /sys/bus/usb/devices/1-1/bNumConfigurations
# → 2

# 切换到配置 2
echo 2 | sudo tee /sys/bus/usb/devices/1-1/bConfigurationValue

切换配置时内核会解绑旧配置下所有接口的驱动，重建新接口，再重新匹配驱动。

切换配置 ≠ 固件重枚举

更常见的场景是 usb_modeswitch 之类的工具，它不是切换配置，而是让设备固件在电气层面断开再重连，以新的 VID/PID 重新枚举：

插入设备 → 识别为 Mass Storage (PID=1001)
    ↓ usb_modeswitch 发送 SCSI/vendor 命令
设备断开 USB 连接
    ↓ 设备固件切换内部模式
设备重新上拉 D+ → 识别为 Modem/网卡 (PID=1002)

	配置切换	固件重枚举
VID/PID	不变	可不同
机制	`SetConfiguration()`	电气断开再重连
对主机而言	同一设备	两个独立的插入事件

xHCI 双总线架构

xHCI 控制器内部有两个独立的根集线器——USB 2.0 和 USB 3.0 各一个。一个物理端口从同一个插座同时引出两组引脚：

                     xHCI 控制器
                    ┌─────────────┐
                    │             │
   USB 2.0 总线     │  ┌───────┐  │     USB 3.0 总线
   (Bus 1, 480M)    │  │ 芯片  │  │     (Bus 2, 5000M)
       ↑            │  └───────┘  │          ↑
       │            │             │          │
       └────────────┼─────────────┼──────────┘
                 物理端口 (同一个物理插座)
              ┌───┴───┐
          D+/D-    SSTX+/SSRX+
        (USB 2.0)   (USB 3.0)

设备路由

插入设备类型	使用引脚	枚举到
USB 3.0/3.x (SuperSpeed)	SSTX/SSRX	Bus 2 (USB 3.0 总线)
USB 2.0 (High/Full/Low Speed)	D+/D-	Bus 1 (USB 2.0 总线)

因此 1-1 和 2-1 会同时出现在 sysfs 中——它们是同一个物理端口的 USB 2.0 影子和 USB 3.0 影子，设备实际只出现在其中一条总线上，取决于插入设备的速度层级。

职责划分

层	职责
物理层	D+/D- 和 SSTX/SSRX 是两组独立差分信号线
xHCI 控制器硬件	内部两个根集线器，根据检测到的信号自动路由到对应总线
`xhci_hcd` 驱动	为两个根集线器分别创建 `usb1`/`usb2`，管理端口映射和设备枚举
USB 核心 (usbcore)	抽象层，统一设备模型与 sysfs 接口
设备驱动 (usbhid 等)	不感知上述细节，只看到绑定到自己接口上的设备

为什么根集线器是 `1-0` 而非 `1-0.1`

根集线器的端口路径命名中，-0 是占位符——根集线器没有上游端口可以编号，所以用 0 表示它作为设备本身。

但引用根集线器上的端口时，路径直接从该端口号开始，根集线器本身不在路径中出现：

期望的写法（错误）	实际写法	原因
`1-0.1`	`1-1`	`-` 之后直接是端口链，根集线器默认为起点
`1-0.1.2`	`1-1.2`	同上，起点不编号
引用根集线器本身	`1-0`	这是唯一出现 `0` 的地方

下游集线器不需要 0，因为它们的设备路径已以自身端口号结束，不存在 N-M.n.0 这种写法。

速查表

sysfs 路径	含义
`usbN`	虚拟根设备，Bus N
`N-0:1.0`	Bus N 根集线器，配置 1，接口 0
`N-M`	Bus N 根集线器 Port M 上的设备
`N-M:1.0`	同上，配置 1，接口 0
`N-M.N`	Bus N → Port M 下游集线器 → Port N
`N-M.N:1.0`	同上，配置 1，接口 0
`N-M.N.O`	三层集线器嵌套
`N-M:1.1`	同一配置下的第 2 个接口（复合设备）
`N-M:2.0`	第 2 个配置的第 1 个接口（罕见）