USB Gadget 技术

1. 什么是 USB Gadget？

USB Gadget 是 Linux 内核提供的一项技术，允许具备 USB 设备控制器（USB Device Controller）的硬件（如嵌入式开发板、手机）模拟成各种 USB 设备（如 U 盘、串口、网卡、打印机等），从而与主机（如电脑）进行通信。

简单来说，普通 USB 设备（如 U 盘）是“被动”被主机识别的，而 USB Gadget 让硬件能“主动”扮演不同的 USB 设备角色，实现灵活的 USB 通信功能。

2. 核心原理

2.1 硬件基础

设备需具备 USB 设备控制器（区别于 USB 主机控制器），即硬件支持作为 USB 从设备（Device）与主机（Host）连接。常见于：

• 嵌入式开发板（如树莓派 Zero、BeagleBone）
• 智能手机
• 其他支持 USB OTG 功能的设备

2.2 内核框架

Linux 内核通过 usb_gadget 子系统提供统一接口，开发者无需直接操作硬件，只需通过软件配置：

• 设备描述符（Device Descriptor）
• 配置描述符（Configuration Descriptor）
• 接口描述符（Interface Descriptor）

即可定义设备类型和功能。

2.3 功能模拟

通过加载不同的 Gadget 驱动模块，硬件可模拟成多种 USB 设备：

• 存储设备（U盘）：通过 mass_storage 模块
• 虚拟串口：通过 g_serial 模块
• 网络设备（RNDIS/CDC）：通过 g_ether 模块
• 复合设备：同时模拟多种类型（如同时作为 U 盘和串口）

3. 典型应用场景

1. 嵌入式调试
   开发板通过 USB Gadget 模拟成串口（g_serial），直接与电脑连接调试，无需额外串口线。

2. 数据传输
   开发板模拟成 U 盘（mass_storage），让电脑直接读写板载存储。

3. 网络共享
   手机通过 USB tethering（USB 共享网络）功能，本质是通过 Gadget 模拟成网卡。

4. 工业设备
   定制复合 USB 设备，同时提供数据传输（串口）和固件升级（存储）功能。

4. 基本使用（以嵌入式 Linux 为例）

4.1 确认硬件支持

• 检查内核是否启用 USB Gadget 相关配置（CONFIG_USB_GADGET 及具体设备驱动）
• 确认硬件有 USB 设备控制器接口（通常标注为“USB OTG”或“USB Device”）

4.2 加载 Gadget 模块

模拟串口

modprobe g_serial  # 生成 /dev/ttyGS0（设备端），电脑端识别为虚拟串口（如 COMx 或 /dev/ttyUSBx）

模拟 U 盘

modprobe g_mass_storage file=/path/to/image.bin stall=0  # image.bin 为模拟的磁盘镜像

模拟网卡

modprobe g_ether host_addr=00:11:22:33:44:55 dev_addr=66:77:88:99:aa:bb

4.3 验证功能

将设备通过 USB 线连接到电脑，电脑会自动识别为对应的 USB 设备（如新增串口、U盘或网络适配器）。

5. 关键概念

• Gadget 驱动：内核模块（如 g_serial、g_ether），定义模拟的 USB 设备类型和功能。
• USB 描述符：用于向主机说明设备信息（如厂商 ID、产品 ID、支持的接口等），是主机识别设备的依据。
• 复合设备（Composite Gadget）：通过 libcomposite 框架组合多个功能（如同时作为串口和 U 盘），需自定义配置描述符。

6. 实例解析：g_serial 虚拟串口

6.1 底层工作原理

g_serial 驱动通过 USB Gadget 框架模拟 USB 串口设备（CDC-ACM 或 Generic Serial） 的硬件行为和协议规范，让电脑误认为连接了真实物理串口。

硬件层面：USB 设备控制器的激活

• g_serial 驱动初始化 USB 设备控制器，使其工作在“设备模式”
• 控制器通过物理 USB 接口（Micro-USB/Type-C）与电脑连接，负责电信号收发

协议层面：模拟 USB 串口标准规范

支持两种规范：

• CDC-ACM：USB 官方通信设备类标准（适用于调制解调器、串口）
• Generic Serial：兼容传统 USB 转串口芯片（如 FTDI、PL2303）

通过 USB 描述符宣告身份：

• 设备描述符：含 VID、PID、设备类型（通信设备类）
• 配置描述符：说明供电模式、接口数量
• 接口描述符：定义数据传输端点（对应串口收发功能）

数据交互：模拟串口读写行为

• 设备端：创建虚拟串口 /dev/ttyGS0，应用程序通过标准串口 API（open/read/write）操作
• 数据转发：
  • 设备 → 电脑：数据封装成 USB 批量传输包（Bulk OUT）发送
  • 电脑 → 设备：接收 USB 批量传输包（Bulk IN），解析后写入 /dev/ttyGS0
• 控制信号：支持 RTS/CTS 流控制、波特率设置（通过 USB 控制传输实现）

6.2 电脑自动识别的原因

USB 枚举过程

1. 设备连接检测：电脑检测到 USB 总线上的电平变化
2. 获取设备描述符：电脑读取 g_serial 的描述符（含设备类型、VID/PID）
3. 加载匹配驱动：
   • Windows：加载内置 usbser.sys 驱动（支持 CDC-ACM）
   • Linux：通过 cdc_acm 驱动识别为 ttyACM0
   • macOS：通过 AppleUSBACM 驱动识别为 /dev/tty.usbmodemXXX

cdc_acm驱动能进行串口数据和USB数据的转换，gadget驱动也是这个作用，最主要的区别就是gadget能让设备作为USB从设备（发送USB描述符）被主设备识别

即插即用的核心

g_serial 遵循 USB 标准设备类协议，主流操作系统已内置标准驱动，因此无需手动安装即可自动识别。

7. gadget – 模拟

注意gadget是把USB模拟为串口、网口…，而非真实的USB设备（比如USB蓝牙适配器）

USB 蓝牙设备（如常见的 USB 蓝牙适配器）通常不基于 USB Gadget 框架，两者的角色和工作原理完全不同，核心区别在于“设备角色”和“实现方式”：

1. USB 蓝牙适配器的本质：USB 外设（从设备）

常见的 USB 蓝牙适配器（如插入电脑的蓝牙模块）是标准的 USB 外设，其工作方式是：

• 作为 USB 从设备（Device）连接到电脑（USB 主机），通过 USB 接口与主机通信。
• 依赖主机端的蓝牙驱动（如 Linux 的 btusb 驱动、Windows 的 BthUsb.sys）实现蓝牙协议栈（如 BR/EDR、BLE）。
• 功能是“扩展主机的蓝牙能力”，让主机具备蓝牙通信功能（如连接蓝牙鼠标、耳机）。

这类设备的固件和硬件设计目标是“被主机识别并控制”，不涉及 USB Gadget 框架，因为它们本身就是单纯的 USB 外设，而非“模拟其他设备的 Gadget 设备”。

2. USB Gadget 框架的角色：模拟 USB 设备的主设备

USB Gadget 框架的核心是让硬件（如嵌入式开发板）作为 USB 主设备（Host）端的“从设备”，但主动模拟成其他 USB 设备类型（如串口、U盘）。例如：

• 开发板通过 USB Gadget 模拟成“蓝牙适配器”（理论上可行，但极少这样做），此时开发板会被电脑识别为一个 USB 蓝牙设备，这才是基于 Gadget 框架的场景。

但这种情况非常罕见，因为：

• 蓝牙功能通常由专门的蓝牙芯片实现，而非通过软件模拟（Gadget 框架更适合模拟简单的 USB 设备，如串口、存储设备）。
• 模拟蓝牙设备需要实现复杂的蓝牙协议栈（如基带、LMP、L2CAP 等），这远超 Gadget 框架的设计目标（Gadget 仅负责 USB 层面的设备模拟）。

3. 特殊场景：蓝牙设备中的 Gadget 功能

某些嵌入式设备（如智能手机）可能同时具备：

• 蓝牙功能（通过内置蓝牙芯片，作为独立的无线模块）。
• USB Gadget 功能（通过 USB 设备控制器，模拟成串口、网卡等）。

但这两个功能是相互独立的：蓝牙功能由蓝牙芯片和对应的协议栈（如 BlueZ）实现，与 USB Gadget 框架无关；而 USB Gadget 仅负责 USB 层面的设备模拟。

总结

• 普通 USB 蓝牙适配器：是标准 USB 外设，依赖主机端驱动工作，不基于 USB Gadget 框架。
• USB Gadget 框架：用于让硬件模拟成 USB 设备（如串口、U盘），理论上可模拟蓝牙设备，但实际中极少这样做（因蓝牙协议复杂，更适合由专用芯片实现）。

两者的核心区别在于：USB 蓝牙适配器是“真实的 USB 外设”，而 USB Gadget 是“模拟 USB 外设的软件框架”。