USB 驱动框架分析

这里先说一些概念性的东西，了解一下USB

　　一、关于usb设备 都见过很多，用过很多了，每当我们插上一个usb设备到pc的时 右下角就会弹出一个提示信息，提示“发现xxx”设备，再接着跳出一个对话框提示安装驱动程序，那么，即然没有驱动程序，PC如何知道我是usb设备还有知道我是“xxx”呢，因为PC机里已经有“USB总线驱动程序” 看到总线两字，就会联想到我们之前写驱动时的那些 “平台总线”之类的东西了，USB总线驱动程序能知道你是USB设备 再找出和你对应的驱动，如果没有的话，会提示没有找到对应的驱动，要你去下载或直接提示无法成功安装。

　　二、USB设备总类很多，比如 USB鼠标呀，USB移动硬盘，USB网卡，等很多种类，为什么一接到PC就能识别出来是那种类型呢？因为USB是一套规范，对PC的USB总线驱动和USB设备都需要遵循这个规范，不然可就乱套了。例：USB接到PC后 PC的USB总线驱动会发出“你是什么”？那么USB设备就必须要回答“我是什么” 并且回答的格式必须要和USB总线的格式一样的，这个格式就是“描述符”。

　　三、PC机上经常同时接有几个或更多个USB设备，那如何分辨那个是那个呢？而且USB接口就四条线 5V、GND、D+、D-、？因为每个USB设备接入PC时，总线驱动会给它分配一个编号，当PC访问USB设备时，发出的命令都带有对应的编号。即然是这样，那么当一个新的USB设备接入PC时 它还有没编号，想给它分配编号，首先得识别它才可以向它发送分配编号的命令呀？因类新接入PC的USBy设备的编号黙认为0，总线驱动先使用0编号和他通信。

　　四、为什么USB设备一接上，PC就能发现有USB设备接上了呢？因为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

　　五、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：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include\linux\usb\Ch9.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\n",

hub_irq
kick_khubd
hub_thread
hub_events
hub_port_connect_change

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

choose_devnum(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
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

怎么写USB设备驱动程序？

　　1. 分配/设置usb_driver结构体
　　　　.id_table
　　　　.probe
　　　　.disconnect
　　2. 注册

参数 drivers/hid/usbhid/usbmouse.c 这个驱动来看一下 内核这个驱动怎么实现的 从入口函数开始

static void usb_mouse_disconnect(struct usb_interface *intf)
{
    struct usb_mouse *mouse = usb_get_intfdata (intf);

    usb_set_intfdata(intf, NULL);
    if (mouse) {
        usb_kill_urb(mouse->irq);
        input_unregister_device(mouse->dev);
        usb_free_urb(mouse->irq);
        usb_free_coherent(interface_to_usbdev(intf), 8, mouse->data, mouse->data_dma);
        kfree(mouse);
    }
}

static struct usb_device_id usb_mouse_id_table [] = {
    { USB_INTERFACE_INFO(USB_INTERFACE_CLASS_HID, USB_INTERFACE_SUBCLASS_BOOT,
        USB_INTERFACE_PROTOCOL_MOUSE) },
    { }    /* Terminating entry */
};

MODULE_DEVICE_TABLE (usb, usb_mouse_id_table);

static struct usb_driver usb_mouse_driver = {
    .name        = "usbmouse",
    .probe        = usb_mouse_probe,
    .disconnect    = usb_mouse_disconnect,
    .id_table    = usb_mouse_id_table,
};

module_usb_driver(usb_mouse_driver);

入口出口都用宏定义了，我们直接看 usb_mouse_probe 函数 前面有讲过的。

static int usb_mouse_probe(struct usb_interface *intf, const struct usb_device_id *id)
{
    struct usb_device *dev = interface_to_usbdev(intf);
    struct usb_host_interface *interface;
    struct usb_endpoint_descriptor *endpoint;
    struct usb_mouse *mouse;
    struct input_dev *input_dev;
    int pipe, maxp;
    int error = -ENOMEM;

    interface = intf->cur_altsetting;

    if (interface->desc.bNumEndpoints != 1)
        return -ENODEV;

    endpoint = &interface->endpoint[0].desc;
    if (!usb_endpoint_is_int_in(endpoint))
        return -ENODEV;

    pipe = usb_rcvintpipe(dev, endpoint->bEndpointAddress);
    maxp = usb_maxpacket(dev, pipe, usb_pipeout(pipe));

    mouse = kzalloc(sizeof(struct usb_mouse), GFP_KERNEL);
    input_dev = input_allocate_device();
    if (!mouse || !input_dev)
        goto fail1;

    mouse->data = usb_alloc_coherent(dev, 8, GFP_ATOMIC, &mouse->data_dma);
    if (!mouse->data)
        goto fail1;

    mouse->irq = usb_alloc_urb(0, GFP_KERNEL);
    if (!mouse->irq)
        goto fail2;

    mouse->usbdev = dev;
    mouse->dev = input_dev;

    if (dev->manufacturer)
        strlcpy(mouse->name, dev->manufacturer, sizeof(mouse->name));

    if (dev->product) {
        if (dev->manufacturer)
            strlcat(mouse->name, " ", sizeof(mouse->name));
        strlcat(mouse->name, dev->product, sizeof(mouse->name));
    }

    if (!strlen(mouse->name))
        snprintf(mouse->name, sizeof(mouse->name),
             "USB HIDBP Mouse %04x:%04x",
             le16_to_cpu(dev->descriptor.idVendor),
             le16_to_cpu(dev->descriptor.idProduct));

    usb_make_path(dev, mouse->phys, sizeof(mouse->phys));
    strlcat(mouse->phys, "/input0", sizeof(mouse->phys));

    input_dev->name = mouse->name;
    input_dev->phys = mouse->phys;
    usb_to_input_id(dev, &input_dev->id);
    input_dev->dev.parent = &intf->dev;

    input_dev->evbit[0] = BIT_MASK(EV_KEY) | BIT_MASK(EV_REL);
    input_dev->keybit[BIT_WORD(BTN_MOUSE)] = BIT_MASK(BTN_LEFT) |
        BIT_MASK(BTN_RIGHT) | BIT_MASK(BTN_MIDDLE);
    input_dev->relbit[0] = BIT_MASK(REL_X) | BIT_MASK(REL_Y);
    input_dev->keybit[BIT_WORD(BTN_MOUSE)] |= BIT_MASK(BTN_SIDE) |
        BIT_MASK(BTN_EXTRA);
    input_dev->relbit[0] |= BIT_MASK(REL_WHEEL);

    input_set_drvdata(input_dev, mouse);

    input_dev->open = usb_mouse_open;
    input_dev->close = usb_mouse_close;

    usb_fill_int_urb(mouse->irq, dev, pipe, mouse->data,
             (maxp > 8 ? 8 : maxp),
             usb_mouse_irq, mouse, endpoint->bInterval);
    mouse->irq->transfer_dma = mouse->data_dma;
    mouse->irq->transfer_flags |= URB_NO_TRANSFER_DMA_MAP;

    error = input_register_device(mouse->dev);
    if (error)
        goto fail3;

    usb_set_intfdata(intf, mouse);
    return 0;

fail3:
    usb_free_urb(mouse->irq);
fail2:
    usb_free_coherent(dev, 8, mouse->data, mouse->data_dma);
fail1:
    input_free_device(input_dev);
    kfree(mouse);
    return error;
}

input_dev = input_allocate_device(); 分配一个input_dev结构体 然后设置 产生那些事件等等 接着error = input_register_device(mouse->dev);注册

然后就输入子系统的框架了，不同的是数据这里是通过usb包来传输的。

/*
 * drivers\hid\usbhid\usbmouse.c
 */

#include <linux/kernel.h>
#include <linux/slab.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/usb/input.h>
#include <linux/hid.h>

static struct input_dev *uk_dev;
static char *usb_buf;
static dma_addr_t usb_buf_phys;
static int len;
static struct urb *uk_urb;

static struct usb_device_id usbmouse_as_key_id_table [] = {
    { USB_INTERFACE_INFO(USB_INTERFACE_CLASS_HID, USB_INTERFACE_SUBCLASS_BOOT,
        USB_INTERFACE_PROTOCOL_MOUSE) },
    //{USB_DEVICE(0x1234,0x5678)},
    { }    /* Terminating entry */
};

static void usbmouse_as_key_irq(struct urb *urb)
{
    static unsigned char pre_val;
#if 0
    int i;
    static int cnt = 0;
    printk("data cnt %d: ", ++cnt);
    for (i = 0; i < len; i++)
    {
        printk("%02x ", usb_buf[i]);
    }
    printk("\n");
#endif
    /* USB鼠标数据含义
     * data[0]: bit0-左键, 1-按下, 0-松开
     *          bit1-右键, 1-按下, 0-松开
     *          bit2-中键, 1-按下, 0-松开
     *
     */
    if ((pre_val & (1<<0)) != (usb_buf[0] & (1<<0)))
    {
        /* 左键发生了变化 */
        input_event(uk_dev, EV_KEY, KEY_L, (usb_buf[0] & (1<<0)) ? 1 : 0);
        input_sync(uk_dev);
    }

    if ((pre_val & (1<<1)) != (usb_buf[0] & (1<<1)))
    {
        /* 右键发生了变化 */
        input_event(uk_dev, EV_KEY, KEY_S, (usb_buf[0] & (1<<1)) ? 1 : 0);
        input_sync(uk_dev);
    }

    if ((pre_val & (1<<2)) != (usb_buf[0] & (1<<2)))
    {
        /* 中键发生了变化 */
        input_event(uk_dev, EV_KEY, KEY_ENTER, (usb_buf[0] & (1<<2)) ? 1 : 0);
        input_sync(uk_dev);
    }

    pre_val = usb_buf[0];

    /* 重新提交urb */
    usb_submit_urb(uk_urb, GFP_KERNEL);
}

static int usbmouse_as_key_probe(struct usb_interface *intf, const struct usb_device_id *id)
{
    struct usb_device *dev = interface_to_usbdev(intf);
    struct usb_host_interface *interface;
    struct usb_endpoint_descriptor *endpoint;
    int pipe;

    interface = intf->cur_altsetting;
    endpoint = &interface->endpoint[0].desc;

    /* a. 分配一个input_dev */
    uk_dev = input_allocate_device();

    /* b. 设置 */
    /* b.1 能产生哪类事件 */
    set_bit(EV_KEY, uk_dev->evbit);
    set_bit(EV_REP, uk_dev->evbit);

    /* b.2 能产生哪些事件 */
    set_bit(KEY_L, uk_dev->keybit);
    set_bit(KEY_S, uk_dev->keybit);
    set_bit(KEY_ENTER, uk_dev->keybit);

    /* c. 注册 */
    input_register_device(uk_dev);

    /* 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);

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

    /* 目的: */
    usb_buf = usb_buffer_alloc(dev, len, GFP_ATOMIC, &usb_buf_phys);

    /* 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" */
    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);

    return 0;
}

static void usbmouse_as_key_disconnect(struct usb_interface *intf)
{
    struct usb_device *dev = interface_to_usbdev(intf);

    //printk("disconnect usbmouse!\n");
    usb_kill_urb(uk_urb);
    usb_free_urb(uk_urb);

    usb_buffer_free(dev, len, usb_buf, usb_buf_phys);
    input_unregister_device(uk_dev);
    input_free_device(uk_dev);
}

/* 1. 分配/设置usb_driver */
static struct usb_driver usbmouse_as_key_driver = {
    .name        = "usbmouse_as_key_",
    .probe        = usbmouse_as_key_probe,
    .disconnect    = usbmouse_as_key_disconnect,
    .id_table    = usbmouse_as_key_id_table,
};

static int usbmouse_as_key_init(void)
{
    /* 2. 注册 */
    usb_register(&usbmouse_as_key_driver);
    return 0;
}

static void usbmouse_as_key_exit(void)
{
    usb_deregister(&usbmouse_as_key_driver);
}

module_init(usbmouse_as_key_init);
module_exit(usbmouse_as_key_exit);

MODULE_LICENSE("GPL");

测试
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. ls /dev/event*
5. 接上USB鼠标
6. ls /dev/event*
7. 操作鼠标观察数据

8. cat /dev/tty1 然后按鼠标键
9. hexdump /dev/event0