USB驱动程序设计

1.USB驱动模型



①USB HOST控制器驱动

②USBhexin

③USB客户端驱动





设备4个层次：设备(device)、配置(Config)、接口(Interface)、端点(Endpoint).

一个接口就是一个基本功能。如:MP4的视频、音频。

USB设备包括配置(configuration)、接口（interface）和端点(endpoint)，一个USB设备驱动程序对应一个USB接口，而非整个USB设备。

在Linux内核中，使用struct usb_driver结构描述一个USB驱动。

1. struct usb_driver {
2. const char *name; /*驱动程序名*/
3. /* 当USB核心发现了该驱动能够处理的USB接口时，调用该函数 */
4. int (*probe) (struct usb_interface *intf, const struct usb_device_id *id);
5. /* 当相应的USB接口被移除时，调用该函数 */
6. void (*disconnect) (struct usb_interface *intf);
7. /* USB驱动能够处理的设备列表 */
8. const struct usb_device_id *id_table;
9. }

2.URB

2.1 URB通讯模型

主机发送请求，USB从机返回消息。

USB请求块（USB request block-URB）是USB设备驱动中用来与USB设备通信所用的基本载体和核心数据结构，非常类似于网络设备驱动中的sk_buff结构体，是USB主机与设备通信的“电波”。

1. USB 设备驱动程序创建并初始化一个访问特定端点的urb，并提交给USB core；

2. USB core提交该urb到USB主控制器驱动程序；

3. USB 主控制器驱动程序根据该urb描述的信息，来访问USB设备；

4. 当设备访问结束后，USB 主控制器驱动程序通知USB 设备驱动程序。



2.2 创建URB

struct urb *usb_alloc_urb(int iso_packets, gfp_t mem_flags)

参数：

iso_packets：urb所包含的等时数据包的个数。

mem_flags：内存分配标识(如GFP_KERNEL)，参考kmalloc。



2.3 初始化URB

①对于中断urb，使用usb_fill_int_urb函数来初始化。

②对于批量urb，使用usb_fill_bulk_urb函数来初始化。

③对于控制urb，使用usb_fill_control_urb函数来初始化。

④对于等时urb，只能手动地初始化urb。

1. static inline void usb_fill_int_urb(
2. struct urb *urb, //待初始化的urb
3. struct usb_device *dev, //urb所要访问的设备
4. unsigned int pipe, //要访问的端点所对应的管道，
5. void *transfer_buffer, //保存传输数据的buffer
6. int buffer_length, //buffer长度
7. usb_complete_t complete_fn, //urb完成时调用的函数
8. void *context, //赋值到urb->context的数据
9. int interval) //urb被调度的时间间隔

2.4 提交URB

在完成urb的创建和初始化后，USB驱动需要将urb提交给USB核心.

int usb_submit_urb(struct urb *urb, gfp_t mem_flags)

参数：

urb：要提交urb的指针

mem_flags: 内存分配标识(如GFP_KERNEL)，参考kmalloc

URB被提交到USB核心后，USB核心指定usb主控制器驱动程序来处理该urb，处理完之后，urb完成函数将被调用。

3.HID协议

HID(Human Interface Device),属于人机交互类的设备，如USB鼠标，USB键盘，USB游戏操纵杆等。改类设备必须遵循HID设计规范。（4个字节报告描述符）





4.鼠标驱动分析

1. static int usb_mouse_probe(struct usb_interface *intf, const struct usb_device_id *id)
2. {
3. /* 设备描述 usb_device */
4. /* 接口描述 usb_interface */
5. struct usb_device *dev = interface_to_usbdev(intf);                                                                       //这里把接口转化成dev设备
6. /* 接口设置描述 */
7. struct usb_host_interface *interface;
8. /* 端点描述符 */
9. struct usb_endpoint_descriptor *endpoint;
10. struct usb_mouse *mouse;
11. struct input_dev *input_dev;
12. int pipe, maxp;                                                                                                            //这里创建了一个pipe
13. int error = -ENOMEM;
14. /* 获取当前接口设置 */
15. interface = intf->cur_altsetting;                                                                                          //得到了接口
16. 　　 /* 根据HID规范，鼠标只有一个端点（不包含0号控制端点）*/
17. if (interface->desc.bNumEndpoints != 1)
18. return -ENODEV;
19. /* 获取端点0描述符 */
20. endpoint = &interface->endpoint[0].desc;                                                                                    //端点是在接口中的，获取了端点描述符
21. /* 根据HID规范，鼠标唯一的端点应为中断端点 */
22. if (!usb_endpoint_is_int_in(endpoint))
23. return -ENODEV;
24. /* 生成中断管道 */
25. pipe = usb_rcvintpipe(dev, endpoint->bEndpointAddress);                                                                     //这里给pipe创建了接收管道，端点的地址从上面来（端点的地址）
26. /* 返回该端点能够传输的最大的包长度，鼠标的返回的最大数据包为4个字节。*/
27. maxp = usb_maxpacket(dev, pipe, usb_pipeout(pipe));
28. /* 创建input设备 */
29. mouse = kzalloc(sizeof(struct usb_mouse), GFP_KERNEL);                                                                          /*创建输入型设备*/
30. input_dev = input_allocate_device();
31. if (!mouse || !input_dev)
32. goto fail1;
33. /* 申请内存空间用于数据传输，data 为指向该空间的地址*/
34. mouse->data = usb_buffer_alloc(dev, 8, GFP_ATOMIC, &mouse->data_dma);                                                          //给data分配了一个空间
35. if (!mouse->data)
36. goto fail1;
37. /* 分配URB */
38. mouse->irq = usb_alloc_urb(0, GFP_KERNEL);
39. if (!mouse->irq)
40. goto fail2;
41. mouse->usbdev = dev;
42. mouse->dev = input_dev;
43. if (dev->manufacturer)                                                                                                                  /*这里在初始化输入型设备*/
44. strlcpy(mouse->name, dev->manufacturer, sizeof(mouse->name));
45. if (dev->product) {
46. if (dev->manufacturer)
47. strlcat(mouse->name, " ", sizeof(mouse->name));
48. strlcat(mouse->name, dev->product, sizeof(mouse->name));
49. }
50. if (!strlen(mouse->name))
51. snprintf(mouse->name, sizeof(mouse->name),
52. "USB HIDBP Mouse %04x:%04x",
53. le16_to_cpu(dev->descriptor.idVendor),
54. le16_to_cpu(dev->descriptor.idProduct));
55. /* usb_make_path 用来获取 USB 设备在 Sysfs 中的路径*/
56. usb_make_path(dev, mouse->phys, sizeof(mouse->phys));
57. strlcat(mouse->phys, "/input0", sizeof(mouse->phys));
58. /* 字符设备初始化 */
59. input_dev->name = mouse->name;
60. input_dev->phys = mouse->phys;
61. usb_to_input_id(dev, &input_dev->id);
62. input_dev->dev.parent = &intf->dev;
63. input_dev->evbit[0] = BIT_MASK(EV_KEY) | BIT_MASK(EV_REL);
64. input_dev->keybit[BIT_WORD(BTN_MOUSE)] = BIT_MASK(BTN_LEFT) |
65. BIT_MASK(BTN_RIGHT) | BIT_MASK(BTN_MIDDLE);
66. input_dev->relbit[0] = BIT_MASK(REL_X) | BIT_MASK(REL_Y);
67. input_dev->keybit[BIT_WORD(BTN_MOUSE)] |= BIT_MASK(BTN_SIDE) |
68. BIT_MASK(BTN_EXTRA);
69. input_dev->relbit[0] |= BIT_MASK(REL_WHEEL);
70. input_set_drvdata(input_dev, mouse);
71. input_dev->open = usb_mouse_open;
72. input_dev->close = usb_mouse_close;
73. /* 初始化中断URB */
74. /* 思考实验：将interval参数设置为1分钟，观察现象 */                                                                           //这里使用usb_fill_int_urb来创建一个URB
75. usb_fill_int_urb(mouse->irq, dev, pipe, mouse->data,
76. (maxp > 8 ? 8 : maxp),
77. usb_mouse_irq, mouse, endpoint->bInterval);
78. mouse->irq->transfer_dma = mouse->data_dma;
79. mouse->irq->transfer_flags |= URB_NO_TRANSFER_DMA_MAP;
80. error = input_register_device(mouse->dev);
81. if (error)
82. goto fail3;
83. /*将mouse指针保存到intf的dev成员中*/
84. usb_set_intfdata(intf, mouse);
85. return 0;
86. fail3:
87. usb_free_urb(mouse->irq);
88. fail2:
89. usb_buffer_free(dev, 8, mouse->data, mouse->data_dma);
90. fail1:
91. input_free_device(input_dev);
92. kfree(mouse);
93. return error;
94. }

打开时会上传这个URB数据：

1. static int usb_mouse_open(struct input_dev *dev)
2. {
3. struct usb_mouse *mouse = input_get_drvdata(dev);
4. mouse->irq->dev = mouse->usbdev;
5. if (usb_submit_urb(mouse->irq, GFP_KERNEL))                                       //这个函数用来上传
6. return -EIO;
7. return 0;
8. }

上传完毕后，回传回来的数据就有中断函数：

1. static void usb_mouse_irq(struct urb *urb)
2. {
3. struct usb_mouse *mouse = urb->context;
4. signed char *data = mouse->data;
5. struct input_dev *dev = mouse->dev;
6. int status;
7. /* 检测urb传输是否成功 */
8. switch (urb->status) {
9. case 0:            /* success */
10. break;
11. case -ECONNRESET:    /* unlink */
12. case -ENOENT:
13. case -ESHUTDOWN:
14. return;
15. /* -EPIPE: should clear the halt */
16. default:        /* error */
17. goto resubmit;
18. }
19. /* 报告按键状态 */
20. input_report_key(dev, BTN_LEFT, data[0] & 0x01);                                                     //data[0]中的第一个位，左键
21. input_report_key(dev, BTN_RIGHT, data[0] & 0x02);                                                    //第二位，右键
22. input_report_key(dev, BTN_MIDDLE, data[0] & 0x04);                                                   //第三位，中建
23. input_report_key(dev, BTN_SIDE, data[0] & 0x08);
24. input_report_key(dev, BTN_EXTRA, data[0] & 0x10);
25. input_report_rel(dev, REL_X, data[1]);                                                                //X轴信息
26. input_report_rel(dev, REL_Y, data[2]);                                                                //Y轴信息
27. input_report_rel(dev, REL_WHEEL, data[3]);                                                            //滑轮的信息
28. input_sync(dev);
29. resubmit:
30. /* 提交下次传输 */
31. status = usb_submit_urb (urb, GFP_ATOMIC);                                                             //再次提交urb
32. if (status)
33. err ("can't resubmit intr, %s-%s/input0, status %d",
34. mouse->usbdev->bus->bus_name,
35. mouse->usbdev->devpath, status);
36. }