八、USB驱动分析

学习目标：分析USB驱动源码结构。

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一、Windows下USB驱动理论问题

1. 当usb设备接入PC时，右下角弹出"发现AAA"，并弹出对话框，提示安装驱动程序。没有驱动程序，Windows是怎样知道是AAA设备？

--> Windows有USB的总线驱动程序，接入USB设备后，"总线驱动程序"就会知道该设备是"AAA"，提示安装的是”AAA的设备驱动程序"。这里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。

USB总线驱动程序的作用：（1） 识别USB设备 （2）查找并安装对应的设备驱动程序 （3）提供USB读写函数。

2.  Windows是怎样识别出该USB设备的种类/名称?

--> PC和USB设备都得遵守一些规范。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。

3. PC机是怎样分辨USB设备？

--> 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(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)；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。

4. 为什么一接入USB设备，PC机就能发现它？

--> 由于硬件接口连接问题提示的。USB接口只有4条线: 5V,GND,D-,D+。USB设备接入PC，会把PC USB口的D-或D+拉高，从而通知有新设备接入。

注意：

　（1）USB是主从结构的，所有的传输都是由USB主机方发起的。例如，USB键盘按下立刻产生数据，但是它没有能力通知PC机来读数据，只能等待PC机来读。

　（2）USB在数据传输中，以端点为对象的，其有传输类型，传输方向。每个端点只有一个方向的功能（除了端点0控制传输，既能输出也能输入外），例如把数据从端点1读出，向端点2写入数据。

　（3）我们所说的输入(IN)、输出(OUT) 是基于USB主机的立场提出的。例如：鼠标的数据是从鼠标传到PC机, 对应的端点称为"输入端点"。

二、驱动程序

1. USB驱动程序框架

 

1) 将USB设备插入开发板，在串口终端会打印：

　　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
拔掉后会打印：
　　usb 1-1: USB disconnect, address 2

 

在linux内核目录下搜索: grep "USB device using" * -nR返回信息：
　　drivers/usb/core/hub.c:2186:              "%s %s speed %sUSB device using %s and address %d\n",

由此可知，位于drivers/usb/core/Hub.c中的hub_port_init()函数中：

 dev_info (&udev->dev,
           "%s %s speed %sUSB device using %s and address %d\n",
           (udev->config) ? "reset" : "new", speed, type,
           udev->bus->controller->driver->name, udev->devnum);

2) 接下来在source insight中查看源码调用：

hub_thread-->

　　hub_events()-->

　　　　hub_port_connect_change()-->

　　　                               调用 hub_port_init()

在hub_thread()函数中：可知hub_events() 的调用，需要等待中断khubd_wait被唤醒；

 static int hub_thread(void *__unused)
 {
     do {
         hub_events();
         wait_event_interruptible(khubd_wait,
                 !list_empty(&hub_event_list) ||
                 kthread_should_stop());
         try_to_freeze();
     } while (!kthread_should_stop() || !list_empty(&hub_event_list));

     pr_debug("%s: khubd exiting\n", usbcore_name);
     return ;
 }

3)  搜索“中断khubd_wait”，可以得到它是在drivers/usb/core/Hub.c -->  kick_khubd()函数中：

 static void kick_khubd(struct usb_hub *hub)
 {
     unsigned long    flags;
     /* Suppress autosuspend until khubd runs */
     to_usb_interface(hub->intfdev)->pm_usage_cnt = ;

     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);
     }
     spin_unlock_irqrestore(&hub_event_lock, flags);
 }

4) 继续搜索kick_khubd()，可知该函数被hub_irq()调用，因此当USB设备插入后，D+ 或者D-会被拉高，从而使USB控制器产生usb_irq中断。

5) 在hub_port_connect_change()实现了设备注册、端口连接、创建USB设备等功能。

 static void hub_port_connect_change(struct usb_hub *hub, int port1, u16 portstatus, u16 portchange)
 {
 　　udev = usb_alloc_dev(hdev, hdev->bus, port1);  　　//注册usb_device，放在usb总线上
　　　　　　　　　　device_initialize(&dev->dev);         　　　　  // 初始化usb_device
　　　　　　　　　　dev->dev.bus = &usb_bus_type;           　　　　// 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
 　　usb_set_device_state(udev, USB_STATE_POWERED);    //设置注册的USB设备的状态标识
 　　choose_address(udev);                             /*分配一个地址编号 */
  /* usb 1-1: new full speed USB device using s3c2410-ohci and address 3 **初始化端口，与USB设备建立连接*/
 　　hub_port_init(hub, udev, port1, i)  
　　　　　　　　　　retval = hub_set_address(udev);                //(1)设置地址,告诉USB设备新的地址编号
　　　　　　　　　　retval = usb_get_device_descriptor(udev, 8);   //(2)获得USB设备描述符前8个字节 　　status = usb_new_device(udev);　　　　　　　　　　　　//创建USB设备，与USB驱动连接
　　　　　　　　　　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
 }

小结

1）USB驱动程序源码的执行流程为：

2）usb_bus_type是一个全局变量, 和我们之前学的platform平台总线原理、结构体、设备与驱动节点、函数调用等相似, 属于USB总线, 是Linux中bus的一种. 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.

3）在分配一个地址编号时，USB接口最大能接127个设备,连续插拔两次USB键盘,也可以看出,如下图所示:

4）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.

5）那么USB驱动的id_table又该如何定义?

例如：参考/drivers/hid/usbhid/usbmouse.c （鼠标驱动）

 static struct usb_device_id usb_mouse_id_table [] = {
     { USB_INTERFACE_INFO(USB_INTERFACE_CLASS_HID, USB_INTERFACE_SUBCLASS_BOOT,
         USB_INTERFACE_PROTOCOL_MOUSE) },
　　//（1）USB_INTERFACE_CLASS_HID      为设置匹配USB的接口类型为HID类, 因为USB_INTERFACE_CLASS_HID=0x03，HID类是属于人机交互的设备,比如:USB键盘,USB鼠标,USB触摸板,USB游戏操作杆都要填入0X03
   //（2）USB_INTERFACE_SUBCLASS_BOOT  为设置匹配USB的接口子类型为启动设备
   //（3）USB_INTERFACE_PROTOCOL_MOUSE 设置匹配USB的接口协议为USB鼠标的协议,等于2；当.bInterfaceProtocol=1也就是USB_INTERFACE_PROTOCOL_KEYBOARD时,表示USB键盘的协议
      { }    /* 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,
 };

源码分析完后，就可以自己写USB设备驱动程序了。

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参考：https://www.cnblogs.com/lifexy/p/7631900.html