title: linux usb总线驱动
tags: linux
date: 2018/12/11/ 17:14:30
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linux usb总线驱动框架
USB 介绍
- 当插入一个未知的usb设备，电脑也会有相应的提示？
- 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
- 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
- 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。
- 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
- 硬件插入，在D+或者D-上有电平变化，通知主机
- 主机通过端点地址0与usb设备交互，分配地址给usb从设备
- 通过端点0获取从设备的信息
- 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