12、USB设备驱动程序

linux-3.4.2driverhidusbhidusbmouse.c 内核只带USB驱动程序

（hub和usb是两个不同的设备，hub在内核上电的过程中在usb_hub_init函数中调用usb_register来注册，usb驱动才是我们自己写的驱动，也是用usb_register来注册,内核只带驱动程序是通过宏module_usb_driver来注册的，作用和usb_register一样）

现象：把USB设备接到PC

1. 右下角弹出"发现android phone"
2. 跳出一个对话框，提示你安装驱动程序

问1. 既然还没有"驱动程序"，为何能知道是"android phone"
答1. windows里已经有了USB的总线驱动程序，接入USB设备后，是"总线驱动程序"知道你是"android phone"
提示你安装的是"设备驱动程序"

USB总线驱动程序负责：识别USB设备, 给USB设备找到对应的驱动程序

问2. USB设备种类非常多，为什么一接入电脑，就能识别出来？
答2. PC和USB设备都得遵守一些规范。
比如：USB设备接入电脑后，PC机会发出"你是什么"？
USB设备就必须回答"我是xxx", 并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想获取设备信息(描述符)，
USB设备必须返回"描述符"给PC

问3. PC机上接有非常多的USB设备，怎么分辨它们？
USB接口只有4条线: 5V,GND,D-,D+
答3. 每一个USB设备接入PC时，USB总线驱动程序都会给它分配一个编号
接在USB总线上的每一个USB设备都有自己的编号(地址)
PC机想访问某个USB设备时，发出的命令都含有对应的编号(地址)

问4. USB设备刚接入PC时，还没有编号；那么PC怎么把"分配的编号"告诉它？
答4. 新接入的USB设备的默认编号是0，在未分配新编号前，PC使用0编号和它通信。

问5. 为什么一接入USB设备，PC机就能发现它？
答5. PC的USB口内部，D-和D+接有15K的下拉电阻，未接USB设备时为低电平
USB设备的USB口内部，D-或D+接有1.5K的上拉电阻；它一接入PC，就会把PC USB口的D-或D+拉高，从硬件的角度通知PC有新设备接入

其他概念:
1. USB是主从结构的
所有的USB传输，都是从USB主机这方发起；USB设备没有"主动"通知USB主机的能力。
例子：USB鼠标滑动一下立刻产生数据，但是它没有能力通知PC机来读数据，只能被动地等得PC机来读。

2. USB的传输类型:
a. 控制传输：可靠，时间有保证，比如：USB设备的识别过程
b. 批量传输: 可靠, 时间没有保证, 比如：U盘
c. 中断传输（通过不断查询来读取数据）：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)
我们说"读U盘"、"写U盘"，可以细化为：把数据写到U盘的端点1，从U盘的端点2里读出数据
除了端点0外，每一个端点只支持一个方向的数据传输
端点0用于控制传输，既能输出也能输入

4. 每一个端点都有传输类型，传输方向

5. 术语里、程序里说的输入(IN)、输出(OUT) "都是" 基于USB主机的立场说的。
比如鼠标的数据是从鼠标传到PC机, 对应的端点称为"输入端点"

6. USB总线驱动程序的作用
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

USB驱动程序框架:

app:
-------------------------------------------
USB设备驱动程序 // 知道数据含义
内核 --------------------------------------
USB总线驱动程序 // 1. 识别, 2. 找到匹配的设备驱动, 3. 提供USB读写函数 (它不知道数据含义)
-------------------------------------------
USB主机控制器
UHCI OHCI EHCI
硬件 -----------
USB设备

UHCI: intel, 低速(1.5Mbps)/全速(12Mbps)
OHCI: microsoft 低速/全速
EHCI: 高速(480Mbps)

USB总线驱动程序的作用
1. 识别USB设备
1.1 分配地址
1.2 并告诉USB设备(set address)
1.3 发出命令获取描述符
描述符的信息可以在includelinuxusbCh9.h看到

2. 查找并安装对应的设备驱动程序

3. 提供USB读写函数

把USB设备接到开发板上，看输出信息:
usb 1-1: new full speed USB device using s3c2410-ohci and address 2
usb 1-1: configuration #1 chosen from 1 choice
scsi0 : SCSI emulation for USB Mass Storage devices
scsi 0:0:0:0: Direct-Access HTC Android Phone 0100 PQ: 0 ANSI: 2
sd 0:0:0:0: [sda] Attached SCSI removable disk
拔掉
usb 1-1: USB disconnect, address 2

再接上:
usb 1-1: new full speed USB device using s3c2410-ohci and address 3
usb 1-1: configuration #1 chosen from 1 choice
scsi1 : SCSI emulation for USB Mass Storage devices
scsi 1:0:0:0: Direct-Access HTC Android Phone 0100 PQ: 0 ANSI: 2
sd 1:0:0:0: [sda] Attached SCSI removable disk

在内核目录下搜:
grep "USB device using" * -nR
drivers/usb/core/hub.c:2186: "%s %s speed %sUSB device using %s and address %d ",

usb_hub_init

　　khubd_task = kthread_run(hub_thread, NULL, "khubd");

　　　　　　　　　　　　　　　　wait_event_freezable

hub_irq　　//主机设备驱动注册的中断，调用kick_khubd
　　kick_khubd　　//会唤醒hub_thread里面休眠的进程
　　　　hub_thread
　　　　　　hub_events
　　　　　　　　hub_port_connect_change

　　　　　　　　　　udev = usb_alloc_dev(hdev, hdev->bus, port1);
　　　　　　　　　　　　　　dev->dev.bus = &usb_bus_type;

　　　　　　　　　　choose_address(udev); // 给新设备分配编号(地址)


　　　　　　　　　　hub_port_init // usb 1-1: new full speed USB device using s3c2410-ohci and address 3

　　　　　　　　　　　　hub_set_address // 把编号(地址)告诉USB设备

　　　　　　　　　　　　usb_get_device_descriptor(udev, 8); // 获取设备描述符,先获得8字节长度，其中有设备支持的包长度，下面在发一次获取描述符，用真实长度
　　　　　　　　　　　　retval = usb_get_device_descriptor(udev, USB_DT_DEVICE_SIZE);

　　　　　　　　　　usb_new_device(udev)
　　　　　　　　　　　　　　err = usb_get_configuration(udev); // 把所有的描述符都读出来，并解析
　　　　　　　　　　　　　　usb_parse_configuration

　　　　　　　　　　　　　　device_add // 把device放入usb_bus_type的dev链表,
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　// 从usb_bus_type的driver链表里取出usb_driver，
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　// 把usb_interface和usb_driver的id_table比较
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　// 如果能匹配，调用usb_driver的probe

<LINUX内核源代码情景分析>

怎么写USB设备驱动程序？（驱动是针对接口来说的）
1. 分配/设置usb_driver结构体
.id_table
.probe
.disconnect
2. 注册

（本例子用的是usb鼠标的端点是中断端点，例子中很多函数名中有个int，实时端点是iso，批量端点是bulk，控制端点是control）

测试1th/2th:
1. make menuconfig去掉原来的USB鼠标驱动
-> Device Drivers
-> HID Devices
<> USB Human Interface Device (full HID) support

2. make uImage 并使用新的内核启动

3. insmod usbmouse_as_key.ko
4. 在开发板上接入、拔出USB鼠标

测试3th:
1. insmod usbmouse_as_key.ko
2. ls /dev/event*
3. 接上USB鼠标
4. ls /dev/event*
5. 操作鼠标观察数据

鼠标发送给PC的数据每次4个字节 ：（不同鼠标可能不同）
BYTE1 BYTE2 BYTE3 BYTE4 
定义分别是： 
BYTE1 -- 
       |--bit7:   1   表示   Y   坐标的变化量超出－256   ~   255的范围,0表示没有溢出  ；
       |--bit6:   1   表示   X   坐标的变化量超出－256   ~   255的范围，0表示没有溢出；  
       |--bit5:   Y   坐标变化的符号位，1表示负数，即鼠标向下移动  ；
       |--bit4:   X   坐标变化的符号位，1表示负数，即鼠标向左移动  ；
       |--bit3:     恒为1  ；
       |--bit2:     1表示中键按下  ；
       |--bit1:     1表示右键按下  ；
       |--bit0:     1表示左键按下  ；
BYTE2 -- X坐标变化量，与byte的bit4组成9位符号数,负数表示向左移，正数表右移。用补码表示变化量；  
BYTE3 -- Y坐标变化量，与byte的bit5组成9位符号数，负数表示向下移，正数表上移。用补码表示变化量 ；
BYTE4 -- 滚轮变化。 
BYTE1的4-7全为0的时候，BYTE2 BYTE3的正负表示鼠标移动方向 。

测试4th:
1. insmod usbmouse_as_key.ko
2. ls /dev/event*
3. 接上USB鼠标
4. ls /dev/event*
5. cat /dev/tty1 然后按鼠标键
6. hexdump /dev/event0

关键代码分析：

/* d. 硬件相关操作 */
/* 数据传输3要素: 源,目的,长度 */
/* 源: USB设备的某个端点 */
pipe = usb_rcvintpipe(dev, endpoint->bEndpointAddress);    //就是个宏，里面有端点地址、类型、方向等信息

/* 长度: */
len = endpoint->wMaxPacketSize;

/* 目的: */
usb_buf = usb_alloc_coherent(dev, len, GFP_ATOMIC, &usb_buf_phys);    //usb_buf_phys是分配的物理地址usb数据保存位置，usb_buf是对应的虚拟地址

/* 使用"3要素" */
/* 分配usb request block */
uk_urb = usb_alloc_urb(0, GFP_KERNEL);
/* 使用"3要素设置urb" */

//usbmouse_as_key_irq回调函数，回调函数在URB提交过程后被调用，负责检查提交状态、释放传输输出缓冲区

//韦东山的程序中，选直接在回调函数中打印数据，根据鼠标动作参数的数据在定义其不同的意思

//主机查询频率bInterval，主机不断查询，当有数据并且把数据存放后会调用回调函数
usb_fill_int_urb(uk_urb, dev, pipe, usb_buf, len, usbmouse_as_key_irq, NULL, endpoint->bInterval);
uk_urb->transfer_dma = usb_buf_phys;
uk_urb->transfer_flags |= URB_NO_TRANSFER_DMA_MAP;

/* 使用URB */
usb_submit_urb(uk_urb, GFP_KERNEL);

USB描述符