7 Linux usb驱动框架分析

Posted 2020-11-16 beijiqie1104

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;  
5.     
6.     dev = kzalloc(sizeof(*dev), GFP_KERNEL);  //申请usb_dev结构体空间
7.     ...  
8.     
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.     ...  
13.     
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
5.     
6.         /* interface drivers never match devices */  
7.         if (!is_usb_device_driver(drv))  
8.             return 0;  
9.     
10.         /* TODO: Add real matching code */  
11.         return 1;  
12.     
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;  
17.     
18.         /* device drivers never match interfaces */  
19.         if (is_usb_device_driver(drv))  
20.             return 0;  
21.     
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
24.     
25.         id = usb_match_id(intf, usb_drv->id_table);  //匹配usb驱动的id
26.         if (id)  
27.             return 1;  
28.     
29.         id = usb_match_dynamic_id(intf, usb_drv);  
30.         if (id)  
31.             return 1;  
32.     }  
33.     
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;  
5.     
6.     /* If khubd ever becomes multithreaded, this will need a lock */  
7.     
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);  
13.     
14.     bus->devnum_next = ( devnum >= 127 ? 1 : devnum + 1);  
15.     
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。