USB原理及驱动框架介绍编写
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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了USB原理及驱动框架介绍编写相关的知识，希望对你有一定的参考价值。
- 本文环境：
- JZ2440V3开发板
- Linux3.4.2内核
- arm-linux-gcc4.3.2编译器
- 参考资料：
1、几个常见疑惑？
- 为什么一插上就会有提示信息？
是因为windows自带了USB总线驱动程序； - 那USB总线驱动程序是干嘛用的？
- 识别USB设备；
- 给USB设备找到并安装对应的驱动程序；
- 提供USB的读写函数。
首先，新接入的USB设备的默认地址（编号）为0，再未分配新编号前，PC主机使用0地址和它通信。然后USB总线驱动程序都会给它分配一个地址（编号）。PC机想访问USB总线上某个USB设备时，发出的命令都含有对应的地址（编号）。
- USB的结构是怎样的？
- USB是一种主从结构。主机叫做Host，从机叫做Device，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。
- 例如：USB鼠标滑动一下立刻产生数据，但是它还没有能力通过OC机来读数据，只能被动地等待PC机来读。
- USB可以热拔插的硬件原理
- 在USB集线器（hub）的每个下游端口的D+和D-上，分别接了一个15K欧姆的下拉电阻到地。这样，在集线器的端口悬空时，就被这两个下拉电阻拉到了低电平。
- 而在USB设备端，在D+或者D-上接了1.5k欧姆上拉电阻，对于全速和高速设备，上拉电阻是接在D+上；而低速设备则是上拉电阻接在D-上。
- 这样，当设备插入到集线器时，由1.5k的上拉电阻和15k的下拉电阻分呀，结果就将差分数据线中的一条拉高了。集线器检测到这个状态后，它就报告给USB主控制器（或者通过它上一层的集线器报告给USB主控制器），这样就检测到设备的插入了。
- USB高速设备先是被识别为全速设备，然后通过HOST和DEVICE两者之间的确认，再切换到告诉模式的。在高速模式下，是电流传输模式，这时将D+上的上拉电阻断开。
- USB的4大传输类型：
- 控制传输
- 是每一个USB设备必须支持的，通常用来获取设备描述符、设置设备的状态等等。一个USB设备从插入到最后的拔出这个过程一定会产生控制传输（即便这个USB设备不能被这个系统支持）。
- 中断传输
- 支持中断传输的典型设备有USB鼠标、USB键盘等等。中断传输不是说我的设备真正发出一个中断，然后主机会来读取数据。它其实是一种轮询的方式来完成数据的通信。USB设备会在设备驱动程序中设置一个参数叫做interval，它是endpoint的一个成员。interval是间隔时间的意思，表示我这个设备希望主机多长时间来轮询自己，只要这个值确定了之后，我主机就会周期性来查看有没有数据需要处理。
- 批量处理
- 支持批量传输最典型的设备就是U盘，它进行大数量的数据传输，能够保证数据的准确性，但是时间不是固定的。
- 实时传输
- USB摄像头就是实时传输设备的典型代表，它同样进行大量数据的传输，数据的准确性无法保证，但是对传输延迟非常敏感，也就是说对实时性要求比较高
- USB端点：
- 每个USB设备与主机会有若干个通信的“端点”。每个端点都有个端点号，除了端点0外，每一个端点只能工作在一种传输类型（控制传输、中断传输、批量传输、实时传输）下，一个传输方向。
- 传输方向都是基于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“中断输入端点”。
- 端点0是设备的默认控制端点，既能输出也能输入，主要用于USB设备的识别过程。
- USB驱动整体框架：
- USB主机控制器类型
要想成为一个USB主机，硬件上就必须要有USB主机控制器，USB主机控制器又分为4种接口：
- OHCI（Open Host Controller Inerface）：微软主导的低速USB1.0（1.5Mbps）和全速USB1.1（12Mbps），OHCI接口的硬件简单，软件复杂。
- UHCI（Universal Host Controller Interface）：Intel主导的低速USB1.0（1.5Mbps）和全速USB1.1（12Mbps），而UHCI接口的软件简单，硬件复杂。
- EHCI（Enhace Host Controller Interface）：高速USB2.0（480Mbps）。
- xHCI（eXtensible Host Controller Interface）：USB3.0（5.0Gbps），采用了9针脚设针，同时也支持USB2.0、1.1等。
2、USB总线驱动分析
2.1 USB描述符的层次及定义
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- USB设备描述符（usb_device_descriptor）
- USB配置描述符（usb_config_descriptor）
- USB接口描述符（usb_interface_descriptor）
- USB端点描述符（usb_endpoint_descriptor）、
一个设备描述符可以有多个配置描述符；
一个配置描述符可以有多个接口描述符（比如声卡驱动就有两个接口：录音接口和播放接口）
一个接口描述符可以有多个端点描述符；
2.1.1 USB设备描述符（usb_device_descriptor）
USB设备描述符结构体如下所示：
struct usb_device_descriptor
__u8 bLength; //本描述符的size
__u8 bDescriptorType; //描述符的类型，这里是设备描述符DEVICE
__u16 bcdUSB; //指明usb的版本，比如usb2.0
__u8 bDeviceClass; //类
__u8 bDeviceSubClass; //子类
__u8 bDeviceProtocol; //指定协议
__u8 bMaxPacketSize0; //端点0对应的最大包大小
__u16 idVendor; //厂家ID
__u16 idProduct; //产品ID
__u16 bcdDevice; //设备的发布号
__u8 iManufacturer; //字符串描述符中厂家ID的索引
__u8 iProduct; //字符串描述符中产品ID的索引
__u8 iSerialNumber; //字符串描述符中设备序列号的索引
__u8 bNumConfigurations; //配置描述符的个数,表示有多少个配置描述符
__attribute__ ((packed));
USB设备描述符位于USB设备结构体usb_device中的成员descriptor中。同样地,配置、接口、端点描述符也是位于USB配置、接口、端点结构体中,不过这3个对于我们写驱动的不是很常用。
- usb_device结构体如下所示：
struct usb_device
int devnum; //设备号，是在USB总线的地址
char devpath [16]; //用于消息的设备ID字符串
enum usb_device_state state; //设备状态：已配置、未连接等等
enum usb_device_speed speed; //设备速度：高速、全速、低速或错误
struct usb_tt *tt; //处理传输者信息；用于低速、全速设备和高速HUB
int ttport; //位于tt HUB的设备口
unsigned int toggle[2]; //每个端点占一位，表明端点的方向([0] = IN, [1] = OUT)
struct usb_device *parent; //上一级HUB指针
struct usb_bus *bus; //总线指针
struct usb_host_endpoint ep0; //端点0数据
struct device dev; //一般的设备接口数据结构
struct usb_device_descriptor descriptor; //USB设备描述符,
struct usb_host_config *config; //设备的所有配置结构体,配置结构体里包含了配置描述符
struct usb_host_config *actconfig; //被激活的设备配置
struct usb_host_endpoint *ep_in[16]; //输入端点数组
struct usb_host_endpoint *ep_out[16]; //输出端点数组
char **rawdescriptors; //每个配置的raw描述符
unsigned short bus_mA; //可使用的总线电流
u8 portnum; //父端口号
u8 level; //USB HUB的层数
unsigned can_submit:1; //URB可被提交标志
unsigned discon_suspended:1; //暂停时断开标志
unsigned persist_enabled:1; //USB_PERSIST使能标志
unsigned have_langid:1; //string_langid存在标志
unsigned authorized:1;
unsigned authenticated:1;
unsigned wusb:1; //无线USB标志
int string_langid; //字符串语言ID
/* static strings from the device */ //设备的静态字符串
char *product; //产品名
char *manufacturer; //厂商名
char *serial; //产品串号
struct list_head filelist; //此设备打开的usbfs文件
#ifdef CONFIG_USB_DEVICE_CLASS
struct device *usb_classdev; //用户空间访问的为usbfs设备创建的USB类设备
#endif
#ifdef CONFIG_USB_DEVICEFS
struct dentry *usbfs_dentry; //设备的usbfs入口
#endif
int maxchild; //（若为HUB）接口数
struct usb_device *children[USB_MAXCHILDREN]; //连接在这个HUB上的子设备
int pm_usage_cnt; //自动挂起的使用计数
u32 quirks;
atomic_t urbnum; //这个设备所提交的URB计数
unsigned long active_duration; //激活后使用计时
#ifdef CONFIG_PM //电源管理相关
struct delayed_work autosuspend; //自动挂起的延时
struct work_struct autoresume; //（中断的）自动唤醒需求
struct mutex pm_mutex; //PM的互斥锁
unsigned long last_busy; //最后使用的时间
int autosuspend_delay;
unsigned long connect_time; //第一次连接的时间
unsigned auto_pm:1; //自动挂起/唤醒
unsigned do_remote_wakeup:1; //远程唤醒
unsigned reset_resume:1; //使用复位替代唤醒
unsigned autosuspend_disabled:1; //挂起关闭
unsigned autoresume_disabled:1; //唤醒关闭
unsigned skip_sys_resume:1; //跳过下个系统唤醒
#endif
struct wusb_dev *wusb_dev; //（如果为无线USB）连接到WUSB特定的数据结构
;
2.2.2 USB配置描述符
struct usb_config_descriptor
__u8 bLength; //描述符的长度
__u8 bDescriptorType; //描述符类型的编号
__le16 wTotalLength; //配置所返回的所有数据的大小
__u8 bNumInterfaces; //配置所支持的接口个数, 表示有多少个接口描述符
__u8 bConfigurationValue; //Set_Configuration命令需要的参数值
__u8 iConfiguration; //描述该配置的字符串的索引值
__u8 bmAttributes; //供电模式的选择
__u8 bMaxPower; //设备从总线提取的最大电流
__attribute__ ((packed));
2.2.3 接口描述符（逻辑设备）
USB接口只处理一种USB逻辑连接。一个USB接口代表一个逻辑上的设备，比如声卡驱动就有两个接口：录音接口和播放接口。这可以在windows系统中看出，有时插入一个USB设备后，系统会识别出多个设备，并安装相应多个的驱动。
struct usb_interface_descriptor
__u8 bLength; //描述符的长度
__u8 bDescriptorType; //描述符类型的编号
__u8 bInterfaceNumber; //接口的编号
__u8 bAlternateSetting; //备用的接口描述符编号,提供不同质量的服务参数.
__u8 bNumEndpoints; //要使用的端点个数(不包括端点0), 表示有多少个端点描述符,比如鼠标就只有一个端点
__u8 bInterfaceClass; //接口类型,与驱动的id_table对应
__u8 bInterfaceSubClass; //接口子类型
__u8 bInterfaceProtocol; //接口所遵循的协议
__u8 iInterface; //描述该接口的字符串索引值
__attribute__ ((packed)
它位于usb_interface->cur_altsetting->desc 这个成员结构体里,
- usb_interface结构体如下所示：
struct usb_interface
/* 包含所有可用于该接口的可选设置的接口结构数组。每个 struct usb_host_interface 包含一套端点配置（即struct usb_host_endpoint结构所定义的端点配置。这些接口结构没有特别的顺序。*/
struct usb_host_interface *altsetting;
/* 指向altsetting内部的指针，表示当前激活的接口配置*/
struct usb_host_interface *cur_altsetting;
unsigned num_altsetting; /* 可选设置的数量*/
/* If there is an interface association descriptor then it will list the associated interfaces */
struct usb_interface_assoc_descriptor *intf_assoc;
/* 如果绑定到这个接口的 USB 驱动使用 USB 主设备号, 这个变量包含由 USB 核心分配给接口的次设备号. 这只在一个成功的调用 usb_register_dev后才有效。*/
int minor;
... ...
- cur_altsetting成员的结构体是usb_host_interface,如下:
struct usb_host_interface
struct usb_interface_descriptor desc; //当前被激活的接口描述符
struct usb_host_endpoint *endpoint; /* 这个接口的所有端点结构体的联合数组*/
char *string; /* 接口描述字符串 */
unsigned char *extra; /* 额外的描述符 */
int extralen;
;
2.2.4 端点描述符
struct usb_endpoint_descriptor
__u8 bLength; //描述符的长度
__u8 bDescriptorType; //描述符类型的编号
__u8 bEndpointAddress; //端点编号,比如端点1,就是1
__u8 bmAttributes; //端点的属性, 比如中断传输类型,输入类型
__le16 wMaxPacketSize; //一个端点的最大包大小,
__u8 bInterval; //间隔时间,用在中断传输上,比如间隔时间查询鼠标的数据
/* NOTE: these two are _only_ in audio endpoints. */
/* use USB_DT_ENDPOINT*_SIZE in bLength, not sizeof. */
__u8 bRefresh;
__u8 bSynchAddress;
__attribute__ ((packed));
比如端点0就位于usb_interface->cur_altsetting->desc->endpoint[0].desc
- endpoint的结构体为usb_host_endpoint，如下所示:
struct usb_host_endpoint
struct usb_endpoint_descriptor desc; //端点描述符
struct usb_ss_ep_comp_descriptor ss_ep_comp; //超快速端点描述符
struct list_head urb_list; //本端口对应的urb链表
void *hcpriv;
struct ep_device *ep_dev; /* For sysfs info */
unsigned char *extra; /* Extra descriptors */
int extralen;
int enabled; //使能的话urb才能被提交到此端口
;
2.2 USB总线驱动如何识别设备
由于内核自带了USB驱动,所以我们先插入一个USB键盘到开发板上看打印信息发现以下字段:
如下图,找到第一段话是位于drivers/usb/core/hub.c的第2186行：
这个hub其实就是我们的USB主机控制器的集线器,用来管理多个USB接口
2.2.1 drivers/usb/core/hub.c的第2186行位于hub_port_init()函数里
它又是被谁调用的,如下图所示，我们搜索到它是通过hub_thread()函数调用的
hub_thread()函数如下:
static int hub_thread(void *__unused)
do
hub_events(); //执行一次hub事件函数
wait_event_interruptible(khubd_wait,!list_empty(&hub_event_list) ||kthread_should_stop()); //(1).每次执行一次hub事件,都会进入一次等待事件中断函数
try_to_freeze();
while (!kthread_should_stop() || !list_empty(&hub_event_list));
pr_debug("%s: khubd exiting\\n", usbcore_name);
return 0;
从上面函数中得到, 要想执行hub_events(),都要等待khubd_wait这个中断唤醒才行。
2.2.2 搜索”khubd_wait”，看看是被谁唤醒
找到该中断在kick_khubd()函数中唤醒,代码如下:
static void kick_khubd(struct usb_hub *hub)
unsigned long flags;
to_usb_interface(hub->intfdev)->pm_usage_cnt = 1;
spin_lock_irqsave(&hub_event_lock, flags);
if (list_empty(&hub->event_list))
list_add_tail(&hub->event_list, &hub_event_list);
wake_up(&khubd_wait); //唤醒khubd_wait这个中断
spin_unlock_irqrestore(&hub_event_lock, flags);
2.2.3 继续搜索kick_khubd,发现被hub_irq()函数中调用
显然,就是当USB设备插入后,D+或D-就会被拉高,然后USB主机控制器就会产生一个hub_irq中断.
2.2.4 分析hub_port_connect_change()函数如何连接端口
static void hub_port_connect_change(struct usb_hub *hub, int port1,u16 portstatus, u16 portchange)
... ...
udev = usb_alloc_dev(hdev, hdev->bus, port1); //(1)注册一个usb_device,然后会放在usb总线上
usb_set_device_state(udev, USB_STATE_POWERED); //设置注册的USB设备的状态标志
... ...
choose_address(udev); //(2)给新的设备分配一个地址编号
status = hub_port_init(hub, udev, port1, i); //(3)初始化端口,与USB设备建立连接
... ...
status = usb_new_device(udev); //(4)创建USB设备,与USB设备驱动连接
... ...
所以最终流程图如下:
2.2.5 进入hub_port_connect_change()->usb_alloc_dev()，看它是怎么设置usb_device
usb_alloc_dev(struct usb_device *parent, struct usb_bus *bus, unsigned port1)
struct usb_device *dev;
dev = kzalloc(sizeof(*dev), GFP_KERNEL); //分配一个usb_device设备结构体
... ...
device_initialize(&dev->dev); //初始化usb_device
dev->dev.bus = &usb_bus_type; //(1)设置usb_device的成员device->bus等于usb_bus总线
dev->dev.type = &usb_device_type; //设置usb_device的成员device->type等于usb_device_type
... ...
return dev; //返回一个usb_device结构体
- 在第17行上,设置device成员,主要是用来后面8.2小节,注册usb总线的device表上.
- 其中usb_bus_type是一个全局变量, 它和我们之前学的platform平台总线相似,属于USB总线, 是Linux中bus的一种.
- 如下图所示,每当创建一个USB设备,或者USB设备驱动时,USB总线都会调用match成员来匹配一次,使USB设备和USB设备驱动联系起来.
usb_bus_type结构体如下:
struct bus_type usb_bus_type =
.name = "usb", //总线名称,存在/sys/bus下
.match = usb_device_match, //匹配函数,匹配成功就会调用usb_driver驱动的probe函数成员
.uevent = usb_uevent, //事件函数
.suspend = usb_suspend, //休眠函数
.resume = usb_resume, //唤醒函数
;
2.2.6 进入hub_port_connect_change()->choose_address()，看它是怎么分配地址编号的
static void choose_address(struct usb_device *udev)
int devnum;
struct usb_bus *bus = udev->bus;
devnum = find_next_zero_bit(bus->devmap.devicemap, 128,bus->devnum_next);
//在bus->devnum_next~128区间中,循环查找下一个非0(没有设备)的编号
if (devnum >= 128) //若编号大于等于128,说明没有找到空余的地址编号,从头开始找
devnum = find_next_zero_bit(bus->devmap.devicemap, 128, 1);
bus->devnum_next = ( devnum >= 127 ? 1 : devnum + 1); //设置下次寻址的区间+1
if (devnum < 128)
set_bit(devnum, bus->devmap.devicemap); //设置位
udev->devnum = devnum;
从上面代码中分析到每次的地址编号是连续加的,USB接口最大能接127个设备,我们连续插拔两次USB键盘,也可以看出,如下图所示:
2.2.7 再看hub_port_connect_change()->hub_port_init()函数是如何来实现连接USB设备的
static int hub_port_init (struct usb_hub *hub, struct usb_device *udev, int port1,int retry_counter)
... ...
for (j = 0; j < SET_ADDRESS_TRIES; ++j)
retval = hub_set_address(udev); //(1)设置地址,告诉USB设备新的地址编号
if (retval >= 0)
break;
msleep(200);
retval = usb_get_device_descriptor(udev, 8); //(2)获得USB设备描述符前8个字节
... ...
retval = usb_get_device_descriptor(udev, USB_DT_DEVICE_SIZE); //重新获取设备描述符信息
... ...
- 上面第6行中,hub_set_address()函数主要是用来告诉USB设备新的地址编号，hub_set_address()函数如下:
static int hub_set_address(struct usb_device *udev)
int retval;
... ...
retval = usb_control_msg(udev, usb_sndaddr0pipe(),USB_REQ_SET_ADDRESS,0, udev->devnum, 0,NULL, 0, USB_CTRL_SET_TIMEOUT); //(1.1)等待传输完成
if (retval == 0) //设置新的地址,传输完成,返回0
usb_set_device_state(udev, USB_STATE_ADDRESS); //设置状态标志
ep0_reinit(udev);
return retval;
- usb_control_msg()函数就是用来让USB主机控制器把一个控制报文发给USB设备,如果传输完成就返回0.其中参数udev表示目标设备;使用的管道为usb_sndaddr0pipe(),也就是默认的地址0加上控制端点号0; USB_REQ_SET_ADDRESS表示命令码,既设置地址; udev->devnum表示要设置目标设备的设备号;允许等待传输完成的时间为5秒,因为USB_CTRL_SET_TIMEOUT定义为5000。
- 上面第12行中,usb_get_device_descriptor()函数主要是获取目标设备描述符前8个字节,为什么先只开始读取8个字节？是因为开始时还不知道对方所支持的信包容量,这8个字节是每个设备都有的,后面再根据设备的数据,通过usb_get_device_descriptor()重读一次目标设备的设备描述结构.
其中USB设备描述符结构体如下所示:
struct usb_device_descriptor
__u8 bLength; //本描述符的size
__u8 bDescriptorType; //描述符的类型，这里是设备描述符DEVICE
__u16 bcdUSB; //指明usb的版本，比如usb2.0
__u8 bDeviceClass; //类
__u8 bDeviceSubClass; //子类
__u8 bDeviceProtocol; //指定协议
__u8 bMaxPacketSize0; //端点0对应的最大包大小
__u16 idVendor; //厂家ID
__u16 idProduct; //产品ID
__u16 bcdDevice; //设备的发布号
__u8 iManufacturer; //字符串描述符中厂家ID的索引
__u8 iProduct; //字符串描述符中产品ID的索引
__u8 iSerialNumber; //字符串描述符中设备序列号的索引
__u8 bNumConfigurations; //可能的配置的数目
__attribute__ ((packed));
2.2.8 再看hub_port_connect_change()->usb_new_device()函数是如何来创建USB设备的
int usb_new_device(struct usb_device *udev)
... ...
err = usb_get_configuration(udev); //(1)获取配置描述块
... ...
err = device_add(&udev->dev); // (2)把device放入bus的dev链表中,并寻找对应的设备驱动
- 其中usb_get_configuration()函数如下,就是获取各个配置
int usb_get_configuration(struct usb_device *dev)
... ...
/* USB_MAXCONFIG 定义为8,表示设备描述块下有最多不能超过8个配置描述块 */
/*ncfg表示 设备描述块下 有多少个配置描述块 */
if (ncfg > USB_MAXCONFIG)
dev_warn(ddev, "too many configurations: %d, "
"using maximum allowed: %d\\n", ncfg, USB_MAXCONFIG);
dev->descriptor.bNumConfigurations = ncfg = USB_MAXCONFIG;
... ...
for (cfgno = 0; cfgno < ncfg; cfgno++) //for循环,从USB设备里依次读入所有配置描述块
//每次先读取USB_DT_CONFIG_SIZE个字节,也就是9个字节,暂放到buffer中
result = usb_get_descriptor(dev, USB_DT_CONFIG, cfgno,buffer, USB_DT_CONFIG_SIZE);
... ...
//通过wTotalLength,知道实际数据大小
length = max((int) le16_to_cpu(desc->wTotalLength),USB_DT_CONFIG_SIZE);
bigbuffer = kmalloc(length, GFP_KERNEL); //然后再来分配足够大的空间
... ...
//在调用一次usb_get_descriptor,把整个配置描述块读出来,放到bigbuffer中
result = usb_get_descriptor(dev, USB_DT_CONFIG, cfgno,bigbuffer, length);
... ...
//再将bigbuffer地址放在rawdescriptors所指的指针数组中
dev->rawdescriptors[cfgno] = bigbuffer;
result = us以上是关于USB原理及驱动框架介绍编写的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章
Linux Framebuffer 驱动框架之一概念介绍及LCD硬件原理