7 Linux usb驱动框架分析

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7 Linux usb驱动框架分析
现象：将USB设备接入PC，PC右下角上会弹出"发现xx新设备"，例如"发现andriod phone"若PC上没有安装该设备的驱动程序，则会弹出对话框提示"安装驱动程序"。

问1：没有安装设备的驱动程序之前，为什么PC还能发现andriod phone设备呢？

答1：windows系统中已经安装了USB的"总线驱动程序"，是"总线驱动程序"发现了新的设备，而提示我们安装的是"设备驱动程序"。

问2：USB设备种类繁多，为何一接入电脑，就可以识别出来？

答2：PC与USB设备都要遵循一些规范。

比如：USB设备插入PC机后，PC会发出"你是什么"？

     USB设备回答"我是xxx"，且回答的语言必须是中文。

     USB总线驱动程序会发出某些命令获取设备的信息（描述符）。

     USB设备必须返回"描述符"给PC。

问3：PC机上接有很多的USB设备，如何区分这些设备？

     USB接口上有四条线：5V、GND、D+、D-

答3：每一个USB设备在接入到总线上后，USB驱动程序都会给它分配一个固定的编号。

接在USB总线上的USB设备都拥有属于自己的编号（地址），PC发送含有对应USB设备的编号（地址）的命令进行访问。

问4：新接入的USB设备还没有编号，PC如何将总线"分配的编号"告诉对应的USB设备？

答4：新接入的USB设备默认的编号是0，在未分配新的编号前，PC机使用0编号和设备进行通信。

问5：为什么设备一插入PC机，就能被PC机发现了？

答5：PC机的USB口内部，D+和D-都接有15k的下拉电阻，未接入USB设备时为低电平；

     USB设备的USB口内部，D+或者D-接有1.5k的上拉电阻，他一接入PC，就会把PC的USB口的D+或者D-拉高，从而通过硬件通知PC有新的USB 设备接入。

USB概念简介
1. USB是主从结构
  
  所有的USB传输，都是从USB主机这方发起，USB设备方不能主动发起通信。
2. USB的传输类型
  
  a、控制传输：可靠的，时间有保证，比如：USB设备的识别过程
  
  b、批量传输：可靠，不实时，时间没有保证，比如：U盘
  
  c、中断传输（不断的查询实现实时性）：可靠，实时，比如：USB鼠标
  
  d、实时传输：不可靠，实时，比如：USB摄像头
3. USB传输的对象：端点（endpoint）
  
  端点0用于控制传输，既能输出也能输入。
  
  除了端口0外，每一个端点只支持一个方向的数据传输。
4. 每一个端点都有传输类型，传输方向。
5. 术语或者程序中的"输入"、"输出"都是针对USB主机的立场说的。
linux内核中USB架构

如下图所示，linux内核中USB驱动采用一种分层架构，由USB总线驱动和USB设备驱动构成。其中，USB总线驱动程序的作用主要包括：a 、识别USB设备；b、查找并安装对应的设备驱动程序；c、提供USB读写函数。

OHCI（Open Host Controller Interface）：由Compaq，Microsoft和National Semiconductor创立，支持USB1.1的标准，硬件复杂，软件相对简单，主要用于非x86的USB，如扩展卡、嵌入式开发板的USB主控。

UHCI（Universal Host Controller Interface）：Intel主导的USB1.0、USB1.1的接口标准，与OHCI不兼容，其硬件较为简单，软件则比较复杂。

EHCI（Enhanced Host Controller Interface），是Intel主导的USB2.0的接口标准。提供USB2.0的高速功能。

xHCI（eXtensible Host Controller Interface），是最新最火的USB3.0的接口标准，它在速度、节能、虚拟化等方面都比前面3种有了较大的提高。xHCI支持所有种类速度的USB设备（USB 3.0 SuperSpeed，USB 2.0 Low-，Full-，and High-speed，USB 1.1 Low- and Full-speed）。

USB驱动程序框架分析

往开发板上插入一个U盘，借助系统打印出的信息，分析Linux内核系统中USB总线驱动程序是如何运行的。

插上u盘后，终端输出的信息。

拔出u盘后

选择"usb 1-1: new full speed USB device using s3c2410-ohci and address 2"中部分信息，使用grep命令在内核中进行查找，搜索结果如下。

找到driversusbcorehub.c文件，发现是在hub_port_init函数中打印的上述信息。继续搜索，最后列出函数的调用关系如下：

hub_irq

kick_khubd

->wake_up(&khubd_wait); 唤醒khubd_wait

hub_thread

hub_events

wait_event_interruptible (khubd_wait,..) 等待khubd_wait事件

hub_port_connect_change

usb_alloc_dev

    dev->dev.bus = &usb_bus_type;

    …

    choose_address 为新的USB设备分配一个编号（地址）

    hub_port_init

        -> hub_port_reset

        -> hub_set_address 为新的USB设备设置分配的地址编号

        -> usb_get_device_descriptor 获取USB的设备描述符

    usb_new_device

                    usb_get_configuration 获取并解析USB设备的配置描述符

                    device_add 将新的dev放入到usb_bus_ type的dev链表中，

                             再从usb_bus_ type的driver链表中取出drv进行一一比较，

                             若匹配成功，则可以调用drv的probe函数。

有关USB设备描述符，请参考：https://www.cnblogs.com/beijiqie1104/p/11725775.html。

进入hub_port_connect_change函数。
1. static void hub_port_connect_change(struct usb_hub *hub, int port1,
2. u16 portstatus, u16 portchange)
3. {
4. struct usb_device *hdev = hub->hdev;
5. struct device *hub_dev = hub->intfdev;
6. ...
7. udev = usb_alloc_dev(hdev, hdev->bus, port1);
8. ...
9. choose_address(udev);
10. ...
11. status = hub_port_init(hub, udev, port1, i);
12. ...
13. status = usb_new_device(udev);
14. ...
15. }
代码第7行，申请一个usb_dev，并将其挂接到usb_bus上。

代码第9行，为usb_dev分配一个地址编号。

代码第11行，初始化hub port端口。

代码第13行，创建一个新的usb device。

查看usb_alloc_dev函数。
1. struct usb_device *
2. usb_alloc_dev(struct usb_device *parent, struct usb_bus *bus, unsigned port1)
3. {
4. struct usb_device *dev;
6. dev = kzalloc(sizeof(*dev), GFP_KERNEL); //申请usb_dev结构体空间
7. ...
9. device_initialize(&dev->dev);
10. dev->dev.bus = &usb_bus_type; //将设备的总线指向usb_bus_type
11. dev->dev.type = &usb_device_type; //设备的类型为usb_device_type
12. ...
14. return dev;
15. }
代码中第6行，分配了一个usb_dev结构体。

代码第10行，将结构体usb_dev的dev.bus指向usb_bus_type。其中usb_bus_type是linux内核中bus_type的一种，与之前的平台总线platform_bus_type类似，具体的定义如下：

其中usb_device_match函数用于实现device与drvier的匹配。
1. static int usb_device_match(struct device *dev, struct device_driver *drv)
2. {
3. /* devices and interfaces are handled separately */
4. if (is_usb_device(dev)) { //是否是usb设备
6. /* interface drivers never match devices */
7. if (!is_usb_device_driver(drv))
8. return 0;
10. /* TODO: Add real matching code */
11. return 1;
13. } else { //USB的接口或者驱动drv
14. struct usb_interface *intf;
15. struct usb_driver *usb_drv;
16. const struct usb_device_id *id;
18. /* device drivers never match interfaces */
19. if (is_usb_device_driver(drv))
20. return 0;
22. intf = to_usb_interface(dev); //获取usb的接口
23. usb_drv = to_usb_driver(drv); //获取usb的驱动
25. id = usb_match_id(intf, usb_drv->id_table); //匹配usb驱动的id
26. if (id)
27. return 1;
29. id = usb_match_dynamic_id(intf, usb_drv);
30. if (id)
31. return 1;
32. }
34. return 0;
35. }
代码第11行，将dev.type指向usb_device_type。其中usb_device_type的定义如下：

紧接着来看看hub_port_connect_change函数中的choose_address函数。
1. static void choose_address(struct usb_device *udev)
2. {
3. int devnum;
4. struct usb_bus *bus = udev->bus;
6. /* If khubd ever becomes multithreaded, this will need a lock */
8. /* Try to allocate the next devnum beginning at bus->devnum_next. */
9. devnum = find_next_zero_bit(bus->devmap.devicemap, 128,
10. bus->devnum_next);
11. if (devnum >= 128)
12. devnum = find_next_zero_bit(bus->devmap.devicemap, 128, 1);
14. bus->devnum_next = ( devnum >= 127 ? 1 : devnum + 1);
16. if (devnum < 128) {
17. set_bit(devnum, bus->devmap.devicemap);
18. udev->devnum = devnum;
19. }
20. }
代码第9行，在bus->devnum_next到128之间，查找一个非0的编号。

代码第11行，当编号大于等于128的时候，从1开头处开始查找。

代码第14行，设置下次查找的起始位置。

hub_port_init函数
1. static int
2. hub_port_init (struct usb_hub *hub, struct usb_device *udev, int port1,
3. int retry_counter)
4. {
5. ...
6. buf = kmalloc(GET_DESCRIPTOR_BUFSIZE, GFP_NOIO);
7. ...
8. retval = hub_port_reset(hub, port1, udev, delay);
9. ...
10. retval = hub_set_address(udev);
11. ...
12. retval = usb_get_device_descriptor(udev, 8);
13. ...
14. retval = usb_get_device_descriptor(udev, USB_DT_DEVICE_SIZE);
15. ...
16. }
代码第10行，设置usb device的地址编号。

代码第12行，获取设备描述符的前8个字节，这8个字节是USB设备描述符的固定字节数，先将8个字节数据读出后，在解析后续需要再重新读取的字节数。

代码第14行，再次获取完整的设备描述符信息。

usb_new_device函数如下：
1. int usb_new_device(struct usb_device *udev)
2. {
3. ...
4. err = usb_get_configuration(udev); //获取USB设备的配置描述符
5. ...
6. err = device_add(&udev->dev); //将设备加入到usb device设备链表中
7. ...
8. }
代码第4行，获取设备的配置描述符，其中usb_get_configuration函数定义如下：
1. int usb_get_configuration(struct usb_device *dev)
2. {
3. ...
4. int ncfg = dev->descriptor.bNumConfigurations; //获取设备配置描述符的个数
5. ...
6. for (cfgno = 0; cfgno < ncfg; cfgno++) { //循环
7. ...
8. result = usb_get_descriptor(dev, USB_DT_CONFIG, cfgno,
9. buffer, USB_DT_CONFIG_SIZE); //获取配置描述符的前九个字节
10. ...
11. length = max((int) le16_to_cpu(desc->wTotalLength),
12. USB_DT_CONFIG_SIZE); //获取设备配置描述符的长度
13. ...
14. result = usb_get_descriptor(dev, USB_DT_CONFIG, cfgno,
15. bigbuffer, length); //取出完整的配置描述符
16. ...
17. result = usb_parse_configuration(&dev->dev, cfgno,
18. &dev->config[cfgno], bigbuffer, length); //解析配置描述符
19. ...
20. }
21. }
接着来看看device_add函数。
1. int device_add(struct device *dev)
2. {
3. ...
4. dev = get_device(dev); //获取设备
5. ...
6. if ((error = bus_add_device(dev))) //将设备添加到总线上的device链表中
7. ...
8. bus_attach_device(dev);
9. ...
10. }
总结：

linux内核中USB的驱动分为USB总线驱动和USB设备驱动两部分。系统中hub_thread在没有USB连接的时候，处于睡眠状态，一旦主机控制器检测到USB设备插入的时候，会产生hub_irq中断，唤醒hub_thread线程。然后会创建新的USB设备，分配地址编号，获取设备的描述符信息，将其放入到设备链表中，并和drv链表中的id_table进行匹配，若匹配成功则调用drv的probe函数。框架中已经将总线驱动完成，我们需要做的是编写usb的设备驱动，重点就是probe函数。
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原文地址：https://www.cnblogs.com/beijiqie1104/p/11731123.html