linux usb总线驱动(一)

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title: linux usb总线驱动

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date: 2018/12/11/ 17:14:30

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linux usb总线驱动框架

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USB 介绍

• 当插入一个未知的usb设备，电脑也会有相应的提示？
  1. 插入有反应，是因为电脑的usb作为主机设备，有一个下拉电阻，从机上拉电压通知
  2. 识别到一些信息，是因为有着标准的 usb 总线协议，有一些简单的标准的交互方式获取信息。
• usb 设备的基本构成
  1. 控制usb设备，其实也就是控制usb的寄存器来通过usb总线协议来与设备读写来实现具体的功能。
  2. usb 总线协议一般内核都会自带，我们只需要写总线协议下面的逻辑控制就好了
• usb也是主从结构，读写只能由主机发起
• 新接入的USB设备的默认地址(编号)是0，在未分配新编号前，PC主机使用0地址和它通信
• 所谓热拔插，其实是因为在主机上的D+和D-都接了15k下拉电阻，平时为低电平。从机有上拉电阻
  • 全速设备（12M/s）和高速设备（480M/s）：D+ 上拉1.5k
  • 低俗设备：D-上拉1.5k

传输类型

类型	可靠性	时间性	举例
控制传输	可靠	有保证	usb设备识别
批量传输	可靠	没有保证	U盘
中断传输	可靠	实时	鼠标
实时同步传输	不可靠	实时	摄像头

USB中传输的对象为端点，端点0是每个设备都有的，作为控制传输，可读可写。其他端点只有一个方向。

控制器接口

USB规范都是从寄存器级别规定好的，不过各个厂商可能有自己的几个专用的寄存器 参考

OHCI（Open Host Controller Interface）:微软主导的低速USB1.0(1.5Mbps)和全速USB1.1(12Mbps),OHCI接口的软件简单,硬件复杂 其实这个不止是usb上用，其他接口也有用的

UHCI（Universal Host Controller Interface）: Intel主导的低速USB1.0(1.5Mbps)和全速USB1.1(12Mbps), 而UHCI接口的软件复杂,硬件简单

EHCI（Enhanced Host Controller Interface）：高速USB2.0(480Mbps),

xHCI（eXtensible Host Controller Interface）：USB3.0(5.0Gbps),采用了9针脚设计,同时也支持USB2.0、1.1等

2440接口

2440是兼容OHCI Rev 1.0的在数据手册上有标准，同时我们插入usb的时候也会有指示类似如下：

# usb 1-1: new full speed USB device using s3c2410-ohci and address 2
usb 1-1: configuration #1 chosen from 1 choice
usb 1-1: USB disconnect, address 2

基本流程

1. 硬件插入，在D+或者D-上有电平变化，通知主机
2. 主机通过端点地址0与usb设备交互，分配地址给usb从设备
3. 通过端点0获取从设备的信息
4. 安装对应的设备驱动，提供读写设备的函数

当插入usb时候，提示如下，搜索相关字符grep "USB device using" * -nR，可以在drivers\usb\core\hub.c中找到hub_port_init中调用

# usb 1-1: new full speed USB device using s3c2410-ohci and address 2
usb 1-1: configuration #1 chosen from 1 choice
usb 1-1: USB disconnect, address 2

每一个 USB 主机控制器，都自带了一个 USB HUB， HUB 上再接“ USB 设备”。可以认为

"HUB"是一个特殊的"USB 设备"。

继续搜索可以有如下关系

>hub_thread
	>hub_events
		>hub_port_connect_change(struct usb_hub *hub, int port1,u16 portstatus, u16 portchange)
			//分配一个 usb_device 空间
			>usb_alloc_dev(hdev, hdev->bus, port1);
				>kzalloc(sizeof(*dev), GFP_KERNEL)
				>device_initialize(&dev->dev)
				>dev->dev.bus = &usb_bus_type;
				>dev->dev.type = &usb_device_type
				>sprintf(&dev->dev.bus_id[0], "usb%d", bus->busnum); //usb 的编号
			//分配地址，最大127
			>choose_address(udev)
				>if (devnum >= 128) devnum = find_next_zero_bit(bus->devmap.devicemap, 128, 1);
			//根据 usb高速低速全速设置一些数据
			>hub_port_init(hub, udev, port1, i)
				//设置地址
				>hub_set_address
					>usb_control_msg
				//先读取必备的描述符 8
				>usb_get_device_descriptor(udev, 8)
					>usb_control_msg
				//18个长度的描述符
				>usb_get_device_descriptor(udev, USB_DT_DEVICE_SIZE)
				//打印usb信息
				>dev_info
			>usb_new_device(udev)
				//获取配置
				>usb_get_configuration
				//分配设备号
				>dev->dev.devt = MKDEV(USB_DEVICE_MAJOR,(((udev->bus->busnum-1) * 128) + (udev->devnum-1)))
				//这个是通用的函数哦，并不是单独给usb用的
				>device_add
					//创建设备文件
					>device_create_file
					>bus_add_device
					>bus_attach_device
						>bus_attach_device
							>device_attach(dev)
								>bus_for_each_drv(dev->bus, NULL, dev, __device_attach)
									>__device_attach //(while ((drv = next_driver(&i)) && !error))
										>driver_probe_device(drv, dev)
											>if (drv->bus->match && !drv->bus->match(dev, drv))
												goto done;
											>really_probe(dev, drv);
												>dev->bus->probe
												>drv->probe //没有dev->bus->probe执行

					>list_for_each_entry
	//休眠
	>wait_event_interruptible

>hub_irq
	//唤醒队列
	>wake_up(&khubd_wait)

alloc_dev

在usb_alloc_dev中初始化了总线设备类型，这与之前初始化platform的总线类型是类似的

dev->dev.bus = &usb_bus_type;
dev->dev.type = &usb_device_type;

都是属于bus_type，类比如下：

struct bus_type platform_bus_type = {
	.name		= "platform",
	.dev_attrs	= platform_dev_attrs,
	.match		= platform_match,
	.uevent		= platform_uevent,
	.suspend	= platform_suspend,
	.suspend_late	= platform_suspend_late,
	.resume_early	= platform_resume_early,
	.resume		= platform_resume,
};

struct bus_type usb_bus_type = {
	.name =		"usb",
	.match =	usb_device_match,
	.uevent =	usb_uevent,
	.suspend =	usb_suspend,
	.resume =	usb_resume,
};

这里的match也是同样的作用：设备插入时，总线驱动调用match来匹配

choose_address

分配usb的地址，支持最多127个设备端点

	devnum = find_next_zero_bit(bus->devmap.devicemap, 128,
			bus->devnum_next);
	if (devnum >= 128)
		devnum = find_next_zero_bit(bus->devmap.devicemap, 128, 1);
	udev->devnum = devnum;

hub_port_init

这里进行usb插入后的信息打印，设置地址，获取描述符等

hub_set_address(udev);
usb_get_device_descriptor(udev, 8);
	> memcpy(&dev->descriptor, desc, size);//存储的描述符结构
...
usb_get_device_descriptor(udev, USB_DT_DEVICE_SIZE);

usb_get_device_descriptor

在hub_port_init首先获取8字节的描述符，因为所有设备都支持这8字节的描述符，也支持8字节这个最小长度。具体描述符先结构如下：

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));

usb_control_msg

在hub_set_address和usb_get_device_descriptor中最终也是调用了这个usb_control_msg来与usb设备交互的。

usb_new_device

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
}

usb_get_configuration

//支持最大8种配置
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;
}

//分配9字节存储,读取描述符中的各种配置
buffer = kmalloc(USB_DT_CONFIG_SIZE, GFP_KERNEL);
usb_get_descriptor(dev, USB_DT_CONFIG, cfgno,buffer, USB_DT_CONFIG_SIZE);

//分配配置使用实际允许的大小
length = max((int) le16_to_cpu(desc->wTotalLength),USB_DT_CONFIG_SIZE);
bigbuffer = kmalloc(length, GFP_KERNEL);
usb_get_descriptor(dev, USB_DT_CONFIG, cfgno,bigbuffer, length);

//填充
dev->rawdescriptors[cfgno] = bigbuffer;
//解析
usb_parse_configuration

device_add

dev = get_device(dev);
parent = get_device(dev->parent);
error = setup_parent(dev, parent);
//创建类下的文件
error = device_create_file(dev, &dev->uevent_attr);
。。
//把这个设备添加到dev->bus的device表中
bus_add_device
///来匹配对应的驱动程序
bus_attach_device
//链表遍历
list_for_each_entry(class_intf, &dev->class->interfaces, node)

bus_attach_device

device_add中会调用bus_attach_device来运行匹配函数后运行probe

bus_attach_device
	>device_attach(dev)
		>bus_for_each_drv(dev->bus, NULL, dev, __device_attach)//函数指针在这里
			>__device_attach   //(while ((drv = next_driver(&i)) && !error))
				>driver_probe_device(drv, dev)
					>if (drv->bus->match && !drv->bus->match(dev, drv))
						goto done;
					>really_probe(dev, drv);
						>dev->bus->probe
						>drv->probe //如果没有dev->bus->probe执行

match

这个时候再来看匹配总线的函数

struct bus_type usb_bus_type = {
	.name =		"usb",
	.match =	usb_device_match,
	.uevent =	usb_uevent,
	.suspend =	usb_suspend,
	.resume =	usb_resume,
};

static int usb_device_match(struct device *dev, struct device_driver *drv)
{

       if (is_usb_device(dev)) {                       //判断是不是USB设备
              if (!is_usb_device_driver(drv))
                     return 0;
              return 1;
         }
else {                                                //否则就是USB驱动或者USB设备的接口

              struct usb_interface *intf;
              struct usb_driver *usb_drv;
              const struct usb_device_id *id;           

              if (is_usb_device_driver(drv))   //如果是USB驱动,就不需要匹配,直接return
                     return 0; 

              intf = to_usb_interface(dev);               //获取USB设备的接口
              usb_drv = to_usb_driver(drv);                    //获取USB驱动

              id = usb_match_id(intf, usb_drv->id_table);  //匹配USB驱动的成员id_table
              if (id)
                     return 1;

              id = usb_match_dynamic_id(intf, usb_drv);
              if (id)
                     return 1;
       }
       return 0;
}

查看下具体的id_table，具体的类型在include\linux\usb.h

struct usb_device_id {

       __u16             match_flags;   //与usb设备匹配那种类型？比较类型的宏如下:
 //USB_DEVICE_ID_MATCH_INT_INFO : 用于匹配设备的接口描述符的3个成员
 //USB_DEVICE_ID_MATCH_DEV_INFO: 用于匹配设备描述符的3个成员
 //USB_DEVICE_ID_MATCH_DEVICE_AND_VERSION: 用于匹配特定的USB设备的4个成员
 //USB_DEVICE_ID_MATCH_DEVICE:用于匹配特定的USB设备的2个成员(idVendor和idProduct)

       /* 以下4个用匹配描述特定的USB设备 */
       __u16             idVendor;              //厂家ID
       __u16             idProduct;             //产品ID
       __u16             bcdDevice_lo;        //设备的低版本号
       __u16             bcdDevice_hi;        //设备的高版本号

       /*以下3个就是用于比较设备描述符的*/
       __u8        bDeviceClass;                    //设备类
       __u8        bDeviceSubClass;                 //设备子类
       __u8        bDeviceProtocol;                 //设备协议

       /* 以下3个就是用于比较设备的接口描述符的 */
       __u8        bInterfaceClass;                   //接口类型
       __u8        bInterfaceSubClass;             //接口子类型
       __u8        bInterfaceProtocol;           //接口所遵循的协议

       /* not matched against */
       kernel_ulong_t       driver_info;
};

参考/drivers/hid/usbhid/usbmouse.c(内核自带的USB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) },
	{ }	/* Terminating entry */
};

#define USB_INTERFACE_INFO(cl,sc,pr) \
//设置id_table的.match_flags成员
	.match_flags = USB_DEVICE_ID_MATCH_INT_INFO, .bInterfaceClass = (cl), \
//设置id_table的3个成员,用于与匹配USB设备的3个成员
	.bInterfaceSubClass = (sc), .bInterfaceProtocol = (pr)

//最终结果如下
.bInterfaceClass =USB_INTERFACE_CLASS_HID;
   //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

.bInterfaceSubClass =USB_INTERFACE_SUBCLASS_BOOT;
   //设置匹配USB的接口子类型为启动设备

.bInterfaceProtocol=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

查看下win7系统鼠标的设备信息，VID:表示厂家(vendor)ID，PID:表示产品(Product) ID