乾坤合一~Linux设备驱动之USB主机和设备驱动-白红宇

乾坤合一~Linux设备驱动之USB主机和设备驱动

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发布时间：2019-06-11

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如果不能陪你到最后

是否后悔当初我们牵手

如果当初没能遇见你

现在的我

在哪里逗留

所有的爱都是冒险

那就心甘情愿

等待我们一生中所有悬念

我一往情深的恋人

她是我的爱人

她给我的爱就像是

带着露水的清晨

我多想给她我的真

我心疼的爱人

我愿为她守候寂寞

就像这夜晚深沉

　　这一章从主机侧角度看到的USB 主机控制器驱动和设备驱动从主机侧的角度而言，需要编写的USB 驱动程序包括主机控制器驱动和设备驱动两类，USB 主机控制器驱动程序控制插入其中的USB 设备，而USB 设备驱动程序控制该设备如何作为从设备与主机通信。

1. Linux USB驱动层次

1.1 主机侧与设备侧USB 驱动

　　USB 采用树形拓扑结构，每条总线上只有一个主机控制器，负责协调主机和设备间的通信，而设备不能主动向主机发送任何消息。

1.2 设备、配置、接口、端点

　　在USB 设备的逻辑组织中，包含设备、配置、接口和端点4 个层次，每个USB 设备都提供了不同级别的配置信息，可以包含一个或多个配置，不同的配置使设备表现出不同的功能组合，配置由多个接口组成，接口由多个端点组成，代表一个基本的功能，是USB 设备驱动程序控制的对象，如下图是USB 设备、配置、接口和端点之间的关系。

　　设备描述符：关于设备的通用信息，如供应商ID 、产品ID 和修订ID，支持的设备类、子类和适用的协议以及默认端点的最大包大小等。在Linux 内核中，USB 设备用 usb_device 结构体来描述，USB 设备描述符定义为usb_device_descriptor 结构体，其代码如下：

struct usb device descriptor   {       _ _u8 bLength; // 述符长度       _ _u8 bDescriptorType; // 述符类型编号          _ _le16 bcdUSB; //USB版本号       _ _u8 bDeviceClass; //USB分配的设备类code       _ _u8 bDeviceSubClass;// USB 分配的子类code       _ _u8 bDeviceProtocol; //USB 分配的协议code       _ _u8 bMaxPacketSize0; //endpoint0 最大包大小        _ _le16 idVendor; //厂商编号          _ _le16 idProduct; //产品编号       _ _le16 bcdDevice; //设备出厂编号           _ _u8  iManufacturer; // 述厂商字符串的索引          _ _u8  iProduct; // 述产品字符串的索引          _ _u8  iSerialNumber; // 述设备序列号字符串的索引       _ _u8 bNumConfigurations; //可能的配置数量   } _ _attribute_ _ ((packed));

　　配置描述符：此配置中的接口数、支持的挂起和恢复能力以及功率要求。USB配置在内核中使用usb_host_config 结构体描述，USB 配置描述符定义为结构体usb_config_descriptor，其代码如下：

struct usb config descriptor  {     _ _u8 bLength; // 述符长度     _ _u8 bDescriptorType; // 述符类型编号     _ _le16 wTotalLength; //配置所返回的所有数据的大小     _ _u8 bNumInterfaces; // 配置所支持的接口数     _ _u8 bConfigurationValue; //Set Configuration命令需要的参数值     _ _u8  iConfiguration; // 述该配置的字符串的索引值     _ _ u8 bmAttributes; //供电模式的选择      _ _u8 bMaxPower; //设备从总线提取的最大电流  } _ _attribute_ _ ((packed));

　　接口描述符：接口类、子类和适用的协议，接口备用配置的数目和端点数目。USB接口在内核中使用 usb_interface 结构体描述，USB 接口描述符定义为结构体 usb_interface_descriptor，其代码如下：

struct usb interface descriptor       {        _ _u8 bLength;            // 述符长度        _ _u8 bDescriptorType; // 述符类型        _ _ u8 bInterfaceNumber;     // 接口的编号        _ _u8 bAlternateSetting; //备用的接口 述符编号        _ _u8 bNumEndpoints;        //该接口使用的端点数，不包括端点0                  _ _ u8 bInterfaceClass;      //接口类型                  _ _ u8 bInterfaceSubClass; //接口子类型                 _ _ u8 bInterfaceProtocol; //接口所遵循的协议          _ _ u8  iInterface; // 述该接口的字符串索引值      } _ _attribute_ _ ((packed));

　　端点描述符：端点地址、方向和类型，支持的最大包大小，如果是中断类型的端点则还包括轮询频率。在 Linux 内核中，U SB 端点使用 usb_host_endpoint 结构体来描述，USB端点描述符定义为 usb_ endpoint_ descriptor 结构体，其代码如下：

struct usb endpoint descriptor       {        _ _u8 bLength; // 述符长度        _ _u8 bDescriptorType; // 述符类型        _ _u8  bEndpointAddress; //端点地址：0 ～3 位是端点号，第 7 位是方向 (0-OUT,1-IN)               _ _ u8 bmAttributes; //端点属性：bit[0:1] 的值为00表示控制，为01表示同步，为02表示批量，为03表示中                 _ _le16 wMaxPacketSize;  本端点接收或发送的最大信息包的大小                _ _u8 bInterval;      //轮询数据传送端点的时间间隔                              //对于批量传送的端点以及控制传送的端点，此域忽略                             //对于同步传送的端点，此域必须为1                             //对于中 传送的端点，此域值的范围为1～255                _ _u8 bRefresh;        _ _u8 bSynchAddress;      } _ _attribute_ _ ((packed));

　　字符串描述符：在其他描述符中会为某些字段提供字符串索引，它们被用来检索描述性字符串，可以以多种语言形式提供。字符串描述符是可选的，有的设备有，有的设备没有，字符串描述符对应于usb_string_ descriptor 结构体，其代码如下：

struct usb string descriptor       {         _ _u8 bLength; // 述符长度         _ _u8 bDescriptorType; // 述符类型         _ _le16 wData [1];        /* 以UTF-16LE编码 */       } _ _attribute_ _ ((packed));

2 USB主机驱动

　　USB 主机控制器有 3 种规格：OHCI (Open Host Controller Interface) 、UHCI (Universal Host Controller Interface) 和EHCI (Enhanced Host Controller Interface) 。

2.1 主机控制器驱动

　　在Linux 内核中，用usb_hcd 结构体描述USB 主机控制器驱动，它包含USB 主机控制器的 “家务”信息、硬件资源、状态描述和用于操作主机控制器的 hc_driver等，其代码如下：

struct usb hcd       {         /* 管理 “家务” */         struct usb bus self;          const char *product desc; /* 产品/厂商字符串 */         char irq descr [24]; /* 驱动 + 总线 # */           struct timer list rh timer; /* 根Hub 轮询 */                                   struct urb *status urb; /* 目前的状态urb */               /* 硬件信息/状态 */                                   const struct hc driver *driver; /* 硬件特定的钩子函数 */               /* 需要维护的标志 */         unsigned long flags;                                 #define HCD FLAG HW ACCESSIBLE  0x00000001                                #define HCD FLAG SAW IRQ            0x00000002               unsigned rh_registered: 1; /* 根Hub 注册？ */               /* 下一个标志的采用只是 “权益之计”，当所有HCDs 支持新的根Hub 轮询机制后将移除 */                         unsigned uses new polling: 1;                                 unsigned poll rh: 1; /* 轮询根Hub 状态? */                                  unsigned poll pending: 1; /* 状态已经改变? */               int irq; /* 被分配的irq */         void _ _iomem *regs; /* 设备内存和I/O */         u64 rsrc start; /* 内存和I/O资源开始位置 */         u64 rsrc len; /* 内存和I/O资源长度 */         unsigned power budget; /* mA, 0 = 无限制 */         #define HCD BUFFER POOLS            4         struct dma pool *pool[HCD BUFFER POOLS];         int state;         #define     ACTIVE                 0x01         #define     SUSPEND                0x04         #define     TRANSIENT              0x80         #define HC STATE HALT              0               #define HC STATE RUNNING            (   ACTIVE)          #define HC STATE QUIESCING   (       SUSPEND|     TRANSIENT|    ACTIVE)         #define HC STATE RESUMING           (   SUSPEND|    TRANSIENT)         #define HC STATE SUSPENDED          (   SUSPEND)         #define HC IS RUNNING (state) ((state) &          ACTIVE)         #define HC IS SUSPENDED(state) ((state) &           SUSPEND)         /* 主机控制器驱动的私有数据 */ 　　　　 unsigned long hcd priv [0]    attribute    ((aligned (sizeof(unsigned long))));       };

　　Linux中采用以下函数创建HCD：

struct usb hcd *usb create hcd (const struct hc driver *driver,                                          struct device *dev, char *bus name);

　以下函数用来增加和移除：

int usb add hcd (struct usb hcd *hcd, unsigned int irqnum, unsigned long irqflags); void usb remove hcd (struct usb hcd *

2.2 OHCI 主机控制器驱动

　　OHCI HCD 驱动属于HCD 驱动的实例，它定义了一个ohci_hcd 结构体，使用如下内联函数可实现usb_hcd 和ohci_hcd 的相互转换：

struct ohci hcd *hcd to ohci (struct usb hcd *hcd);   struct usb hcd *ohci to hcd (const struct ohci hcd *ohci);

　　从usb_hcd 得到ohci_hcd 只是取得“私有”数据，而从ohci_hcd 得到usb_hcd 则是通过container_of()从结构体成员获得结构体指，使用如下函数可初始化OHCI 主机控制器：

int ohci init (struct ohci hcd *ohci);

如下函数分别用于开启、停止及复位OHCI 控制器：

int ohci run (struct ohci hcd *ohci); void ohci stop (struct usb hcd *hcd); void ohci usb reset (struct ohci hcd *ohci);

3 USB设备驱动

3.1 USB设备驱动整体结构

有以下设备类

音频设备类。

通信设备类。

HID （人机接口）设备类。

显示设备类。

海量存储设备类。

电源设备类。

打印设备类。

集线器设备类。

　　Linux 内核为各类USB 设备分配了相应的设备号，内核中提供了USB 设备文件系统（usbdevfs，Linux 2.6 改为usbfs，即USB 文件系统），它和/proc 类似，都是动态产生的。通过在/etc/fstab 文件中添加如下一行：

none /proc/bus/usb usbfs defaults

或者输入命令：

mount -t usbfs none /proc/bus/usb

可以实现USB 设备文件系统的挂载。

　　此外，在sysfs 文件系统中，同样包含了USB 相关信息的描述，但只限于接口级别。USB 设备和USB 接口在sysfs 中均表示为单独的USB 设备，其目录命名规则如下：

根集线器-集线器端口号（-集线器端口号-...）:配置.接口。

3.2 USB请求块(URB)

　　USB 请求块（USB request block，urb ）是USB 设备驱动中用来描述与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”，urb 结构体，代码如下：

struct urb 　　{         /* 私有的：只能由USB核心和主机控制器访问的字段 */         struct kref kref; /*urb 引用计数 */                 spinlock t lock; /* urb锁 */         void *hcpriv; /* 主机控制器私有数据 */         int bandwidth; /* INT/ISO请求的带宽 */                      atomic t use count; /* 并发传输计数 */         u8 reject; /* 传输将失败*/        /* 公共的： 可以被驱动使用的字段 */                       struct list head urb list; /* 链表头*/                       struct usb device *dev; /* 关联的USB 设备 */        unsigned int pipe; /* 管道信息 */        int status; /* URB 的当前状态 */ unsigned int transfer flags; /* URB SHORT NOT OK | ...*/

　　　　void *transfer buffer; /* 发送数据到设备或从设备接收数据的缓冲区 */

　　　　dma addr t transfer dma; /*用来以DMA 方式向设备传输数据的缓冲区 */

　　　　int transfer buffer length;/*transfer buffer 或 transfer dma 指向缓冲区的大小 */

　　　　int actual length; /* URB 结束后，发送或接收数据的实际长度 */

　　　　unsigned char *setup packet; /* 指向控制URB 的设置数据包的指针*/

　　　　dma addr t setup dma; /*控制URB 的设置数据包的DMA 缓冲区*/

　　　　int start frame; /*等时传输中用于设置或返回初始帧*/

　　　　int number of packets; /*等时传输中等时缓冲区数据 */

　　　　int interval; /* URB被轮询到的时间间隔（对中和等时urb 有效） */

　　　　int error count; /* 等时传输错误数量 */

　　　　void *context; /* completion 函数上下文 */

　　　　usb complete t complete; /* 当URB 被完全传输或发生错误时，被调用 */

　　　　struct usb iso packet descriptor iso frame desc[0];

　　　　/*单个URB 一次可定义多个等时传输时，描述各个等时传输 */

　　};

　　USB 设备中的每个端点都处理一个urb 队列，在队列被清空之前，一个urb 的典型生命周期有以下几个过程：

被一个 USB设备驱动创建

初始化，被安排给一个特定USB 设备的特定端点

被USB 设备驱动提交给USB

提交由USB 核心指定的USB 主机控制器驱动。

被USB 主机控制器处理，进行一次到USB 设备的传送。

当urb 完成，USB 主机控制器驱动通知USB 设备驱动

3.3 简单的批量与控制URB

1）usb_bulk_msg()

usb_bulk_msg()函数创建一个USB 批量urb 并将它发送到特定设备，这个函数是同步的，它一直等待urb 完成后才返回。usb_bulk_msg()函数的原型为：

int usb bulk msg (struct usb device *usb dev, unsigned int pipe, void *data, int len, int *actual length,  int timeout); //usb_dev 参数为批量消息要发送的USB 设备的指 ，pipe 为批量消息要发送到的 USB 设备的端点，data 参数为指向要发送或接收的数据缓冲区的指 ，len 参数为data 参数//所指向的缓冲区的长度，actual_length 用于返回实际发送或接收的字节数，timeout 是发送超时，以ji ffies 为单位，0 意味着永远等待。

// 如果函数调用成功，返回0 ；否则，返回1 个负的错误值。

2 ）usb_control_msg()函数

usb_control_msg() 函数与 usb_bulk_msg() 函数类似，不过它提供驱动发送和结束USB 控制信息而非批量信息的能力，该函数的原型为：

int usb control msg (struct usb device *dev, unsigned int pipe,        u8 request, _ _u8 requesttype, _ _u16 value, _ _u16 index, void *data, _ _u16 size, int timeout); //dev 指向控制消息发往的USB 设备，pipe 是控制消息要发往的USB 设备的端点， request 是这个控制消息的USB 请求值，requesttype 是这个控制消息的USB 请求类型， //value 是这个控制消息的USB 消息值，index 是这个控制消息的USB 消息索引值，data 指向要发送或接收的数据缓冲区，size

3) 探测和断开函数

在USB 设备驱动usb_driver 结构体的探测函数中，应该完成如下工作：