19.Linux-USB總線驅動分析
以下圖所示,以windows爲例,咱們插上一個沒有USB設備驅動的USB,就會提示你安裝驅動程序html
爲何一插上就有會提示信息? linux
是由於windows自帶了USB總線驅動程序,windows
USB總線驅動程序負責:數組
識別USB設備,給USB設備找到對應的驅動程序框架
新接入的USB設備的默認地址(編號)是0，在未分配新編號前，PC主機使用0地址和它通訊。函數
而後USB總線驅動程序都會給它分配一個地址(編號)spa
PC機想訪問USB總線上某個USB設備時，發出的命令都含有對應的地址(編號)debug
USB是一種主從結構。主機叫作Host，從機叫作Device,全部的USB傳輸，都是從USB主機這方發起；USB設備沒有"主動"通知USB主機的能力。設計
例子：USB鼠標滑動一下馬上產生數據，可是它沒有能力通知PC機來讀數據，只能被動地等得PC機來讀。指針
USB能夠熱插拔的硬件原理
在USB集線器(hub)的每一個下游端口的D+和D-上，分別接了一個15K歐姆的下拉電阻到地。這樣，在集線器的端口懸空時，就被這兩個下拉電阻拉到了低電平。
而在USB設備端，在D+或者D-上接了1.5K歐姆上拉電阻。對於全速和高速設備，上拉電阻是接在D+上；而低速設備則是上拉電阻接在D-上。這樣，當設備插入到集線器時，由1.5K的上拉電阻和15K的下拉電阻分壓，結果就將差分數據線中的一條拉高了。集線器檢測到這個狀態後，它就報告給USB主控制器（或者經過它上一層的集線器報告給USB主控制器），這樣就檢測到設備的插入了。USB高速設備先是被識別爲全速設備，而後經過HOST和DEVICE二者之間的確認，再切換到高速模式的。在高速模式下，是電流傳輸模式，這時將D+上的上拉電阻斷開。
USB的4大傳輸類型:
控制傳輸(control)
是每個USB設備必須支持的，一般用來獲取設備描述符、設置設備的狀態等等。一個USB設備從插入到最後的拔出這個過程必定會產生控制傳輸(即使這個USB設備不能被這個系統支持)。
中斷傳輸(interrupt)
支持中斷傳輸的典型設備有USB鼠標、 USB鍵盤等等。中斷傳輸不是說個人設備真正發出一箇中斷，而後主機會來讀取數據。它實際上是一種輪詢的方式來完成數據的通訊。USB設備會在設備驅動程序中設置一個參數叫作interval，它是endpoint的一個成員。 interval是間隔時間的意思，表示我這個設備但願主機多長時間來輪詢本身,只要這個值肯定了以後，我主機就會週期性的來查看有沒有數據須要處理
批量傳輸(bulk)
支持批量傳輸最典型的設備就是U盤，它進行大數量的數據傳輸，可以保證數據的準確性，可是時間不是固定的。
實時傳輸(isochronous)
USB攝像頭就是實時傳輸設備的典型表明，它一樣進行大數量的數據傳輸，數據的準確性沒法保證，可是對傳輸延遲很是敏感，也就是說對實時性要求比較高
USB端點:
USB設備與主機會有若干個通訊的」端點」,每一個端點都有個端點號,除了端點0外，每個端點只能工做在一種傳輸類型(控制傳輸、中斷傳輸、批量傳輸、實時傳輸)下,一個傳輸方向下
傳輸方向都是基於USB主機的立場說的,
好比:鼠標的數據是從鼠標傳到PC機, 對應的端點稱爲"中斷輸入端點"
其中端點0是設備的默認控制端點, 既能輸出也能輸入,用於USB設備的識別過程
一樣linux內核也自帶了USB總線驅動程序,框架以下:
要想成爲一個USB主機,硬件上就必需要有USB主機控制器才行,USB主機控制器又分爲4種接口:
OHCI（Open Host Controller Interface）: 微軟主導的低速USB1.0(1.5Mbps)和全速USB1.1(12Mbps),OHCI接口的軟件簡單,硬件複雜
UHCI（Universal Host Controller Interface）: Intel主導的低速USB1.0(1.5Mbps)和全速USB1.1(12Mbps), 而UHCI接口的軟件複雜,硬件簡單
EHCI（Enhanced Host Controller Interface）：高速USB2.0(480Mbps),
xHCI（eXtensible Host Controller Interface）：USB3.0(5.0Gbps),採用了9針腳設計,同時也支持USB2.0、1.1等
接下來進入正題,開始分析USB總線驅動,如何識別USB設備
因爲內核自帶了USB驅動,因此咱們先插入一個USB鍵盤到開發板上看打印信息
發現如下字段:
以下圖,找到第一段話是位於drivers/usb/core/hub.c的第2186行
這個hub其實就是咱們的USB主機控制器的集線器,用來管理多個USB接口
1. drivers/usb/core/hub.c的第2186行位於hub_port_init()函數裏
它又是被誰調用的,以下圖所示,咱們搜索到它是經過hub_thread()函數調用的
hub_thread()函數以下:
static int hub_thread(void *__unused) { do { hub_events(); //執行一次hub事件函數 wait_event_interruptible(khubd_wait,!list_empty(&hub_event_list) ||kthread_should_stop());
//(1).每次執行一次hub事件,都會進入一次等待事件中斷函數 try_to_freeze(); } while (!kthread_should_stop() || !list_empty(&hub_event_list)); pr_debug("%s: khubd exiting\n", usbcore_name); return 0; }
從上面函數中獲得, 要想執行hub_events(),都要等待khubd_wait這個中斷喚醒才行
2.咱們搜索」khubd_wait」,看看是被誰喚醒
找到該中斷在kick_khubd()函數中喚醒,代碼以下:
static void kick_khubd(struct usb_hub *hub) { unsigned long flags; to_usb_interface(hub->intfdev)->pm_usage_cnt = 1; 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); //喚醒khubd_wait這個中斷 } spin_unlock_irqrestore(&hub_event_lock, flags); }
3.繼續搜索kick_khubd,發現被hub_irq()函數中調用
顯然,就是當USB設備插入後,D+或D-就會被拉高,而後USB主機控制器就會產生一個hub_irq中斷.
4.接下來咱們直接分析hub_port_connect_change()函數,如何鏈接端口的
static void hub_port_connect_change(struct usb_hub *hub, int port1,u16 portstatus, u16 portchange) { ... ... udev = usb_alloc_dev(hdev, hdev->bus, port1); //(1)註冊一個usb_device,而後會放在usb總線上 usb_set_device_state(udev, USB_STATE_POWERED); //設置註冊的USB設備的狀態標誌 ... ... choose_address(udev); //(2)給新的設備分配一個地址編號
status = hub_port_init(hub, udev, port1, i); //(3)初始化端口,與USB設備創建鏈接 ... ... status = usb_new_device(udev); //(4)建立USB設備,與USB設備驅動鏈接 ... ... }
(usb_device設備結構體參考:http://www.cnblogs.com/lifexy/p/7634511.html）
因此最終流程圖以下:
5.咱們進入hub_port_connect_change()->usb_alloc_dev(),來看看它是怎麼設置usb_device的
1 usb_alloc_dev(struct usb_device *parent, struct usb_bus *bus, unsigned port1) 2 3 { 4 5 struct usb_device *dev; 6 7 8 9 dev = kzalloc(sizeof(*dev), GFP_KERNEL); //分配一個usb_device設備結構體 10 11 ... ... 12 13 14 15 device_initialize(&dev->dev); //初始化usb_device 16 17 dev->dev.bus = &usb_bus_type; //(1)設置usb_device的成員device->bus等於usb_bus總線 18 19 dev->dev.type = &usb_device_type; //設置usb_device的成員device->type等於usb_device_type 20 21 ... ... 22 23 return dev; //返回一個usb_device結構體 24 25 }
(1)在第17行上,設置device成員,主要是用來後面8.2小節,註冊usb總線的device表上.
其中usb_bus_type是一個全局變量, 它和咱們以前學的platform平臺總線類似,屬於USB總線, 是Linux中bus的一種.
以下圖所示,每當建立一個USB設備,或者USB設備驅動時,USB總線都會調用match成員來匹配一次,使USB設備和USB設備驅動聯繫起來.
usb_bus_type結構體以下:
struct bus_type usb_bus_type = { .name = "usb", //總線名稱,存在/sys/bus下 .match = usb_device_match, //匹配函數,匹配成功就會調用usb_driver驅動的probe函數成員 .uevent = usb_uevent, //事件函數 .suspend = usb_suspend, //休眠函數 .resume = usb_resume, //喚醒函數 };
6.咱們進入hub_port_connect_change()->choose_address(),來看看它是怎麼分配地址編號的
static void choose_address(struct usb_device *udev) { int devnum; struct usb_bus *bus = udev->bus; devnum = find_next_zero_bit(bus->devmap.devicemap, 128,bus->devnum_next); //在bus->devnum_next~128區間中,循環查找下一個非0(沒有設備)的編號 if (devnum >= 128) //若編號大於等於128,說明沒有找到空餘的地址編號,從頭開始找 devnum = find_next_zero_bit(bus->devmap.devicemap, 128, 1);
bus->devnum_next = ( devnum >= 127 ? 1 : devnum + 1); //設置下次尋址的區間+1 if (devnum < 128) { set_bit(devnum, bus->devmap.devicemap); //設置位 udev->devnum = devnum; } }
從上面代碼中分析到每次的地址編號是連續加的,USB接口最大能接127個設備,咱們連續插拔兩次USB鍵盤,也能夠看出,以下圖所示:
7.咱們再來看看hub_port_connect_change()->hub_port_init()函數是如何來實現鏈接USB設備的
1 static int hub_port_init (struct usb_hub *hub, struct usb_device *udev, int port1,int retry_counter) 2 { 3 ... ... 4 for (j = 0; j < SET_ADDRESS_TRIES; ++j) 5 { 6 retval = hub_set_address(udev); //(1)設置地址,告訴USB設備新的地址編號 7 8 if (retval >= 0) 9 break; 10 msleep(200); 11 } 12 retval = usb_get_device_descriptor(udev, 8); //(2)得到USB設備描述符前8個字節 13 ... ... 14 15 retval = usb_get_device_descriptor(udev, USB_DT_DEVICE_SIZE); //從新獲取設備描述符信息 16 ... ... 17 }
(1)上面第6行中,hub_set_address()函數主要是用來告訴USB設備新的地址編號, hub_set_address()函數以下:
static int hub_set_address(struct usb_device *udev) { int retval; ... ... retval = usb_control_msg(udev, usb_sndaddr0pipe(),USB_REQ_SET_ADDRESS,0, udev->devnum, 0,NULL, 0, USB_CTRL_SET_TIMEOUT);
//(1.1)等待傳輸完成
if (retval == 0) { //設置新的地址,傳輸完成,返回0 usb_set_device_state(udev, USB_STATE_ADDRESS); //設置狀態標誌 ep0_reinit(udev); } return retval; }
usb_control_msg()函數就是用來讓USB主機控制器把一個控制報文發給USB設備,若是傳輸完成就返回0.其中參數udev表示目標設備;使用的管道爲usb_sndaddr0pipe(),也就是默認的地址0加上控制端點號0; USB_REQ_SET_ADDRESS表示命令碼,既設置地址; udev->devnum表示要設置目標設備的設備號;容許等待傳輸完成的時間爲5秒,由於USB_CTRL_SET_TIMEOUT定義爲5000。
2)上面第12行中,usb_get_device_descriptor()函數主要是獲取目標設備描述符前8個字節,爲何先只開始讀取8個字節？是由於開始時還不知道對方所支持的信包容量,這8個字節是每一個設備都有的,後面再根據設備的數據,經過usb_get_device_descriptor()重讀一次目標設備的設備描述結構.
其中USB設備描述符結構體以下所示:
struct usb_device_descriptor { __u8 bLength; //本描述符的size __u8 bDescriptorType; //描述符的類型，這裏是設備描述符DEVICE __u16 bcdUSB; //指明usb的版本，好比usb2.0 __u8 bDeviceClass; //類 __u8 bDeviceSubClass; //子類 __u8 bDeviceProtocol; //指定協議 __u8 bMaxPacketSize0; //端點0對應的最大包大小 __u16 idVendor; //廠家ID __u16 idProduct; //產品ID __u16 bcdDevice; //設備的發佈號 __u8 iManufacturer; //字符串描述符中廠家ID的索引 __u8 iProduct; //字符串描述符中產品ID的索引 __u8 iSerialNumber; //字符串描述符中設備序列號的索引 __u8 bNumConfigurations; //可能的配置的數目 } __attribute__ ((packed));
8.咱們來看看hub_port_connect_change()->usb_new_device()函數是如何來建立USB設備的
int usb_new_device(struct usb_device *udev) { ... ... err = usb_get_configuration(udev); //(1)獲取配置描述塊 ... ... err = device_add(&udev->dev); // (2)把device放入bus的dev鏈表中,並尋找對應的設備驅動 }
(1)其中usb_get_configuration()函數以下,就是獲取各個配置
int usb_get_configuration(struct usb_device *dev) { ... ... /* USB_MAXCONFIG 定義爲8,表示設備描述塊下有最多不能超過8個配置描述塊 */ /*ncfg表示 設備描述塊下 有多少個配置描述塊 */ 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; } ... ... for (cfgno = 0; cfgno < ncfg; cfgno++) //for循環,從USB設備裏依次讀入全部配置描述塊 { result = usb_get_descriptor(dev, USB_DT_CONFIG, cfgno,buffer, USB_DT_CONFIG_SIZE); //每次先讀取USB_DT_CONFIG_SIZE個字節,也就是9個字節,暫放到buffer中 ... ... length = max((int) le16_to_cpu(desc->wTotalLength),USB_DT_CONFIG_SIZE); //經過wTotalLength,知道實際數據大小
bigbuffer = kmalloc(length, GFP_KERNEL); //而後再來分配足夠大的空間 ... ... result = usb_get_descriptor(dev, USB_DT_CONFIG, cfgno,bigbuffer, length); //在調用一次usb_get_descriptor,把整個配置描述塊讀出來,放到bigbuffer中 ... ... dev->rawdescriptors[cfgno] = bigbuffer; //再將bigbuffer地址放在rawdescriptors所指的指針數組中 result = usb_parse_configuration(&dev->dev, cfgno,&dev->config[cfgno], bigbuffer, length); //最後在解析每一個配置塊 } ... ... }
(2)其中device_add ()函數以下
int usb_get_configuration(struct usb_device *dev) { dev = get_device(dev); //使dev等於usb_device下的device成員 ... ... if ((error = bus_add_device(dev))) // 把這個設備添加到dev->bus的device表中 goto BusError; ... ... bus_attach_device(dev); //來匹配對應的驅動程序 ... ... }
當bus_attach_device()函數匹配成功,就會調用驅動的probe函數
9.咱們再來看看usb_bus_type這個的成員usb_device_match函數,看看是如何匹配的
usb_device_match函數以下所示:
static int usb_device_match(struct device *dev, struct device_driver *drv) { if (is_usb_device(dev)) { //判斷是否是USB設備 if (!is_usb_device_driver(drv)) return 0; return 1; } else { //不然就是USB驅動或者USB設備的接口 struct usb_interface *intf; struct usb_driver *usb_drv; const struct usb_device_id *id; if (is_usb_device_driver(drv)) //若是是USB驅動,就不須要匹配,直接return return 0; intf = to_usb_interface(dev); //獲取USB設備的接口 usb_drv = to_usb_driver(drv); //獲取USB驅動 id = usb_match_id(intf, usb_drv->id_table); //匹配USB驅動的成員id_table if (id) return 1; id = usb_match_dynamic_id(intf, usb_drv); if (id) return 1; } return 0; }
顯然就是匹配USB驅動的id_table
10.那麼USB驅動的id_table又該如何定義?
id_table的結構體爲usb_device_id,以下所示:
struct usb_device_id { __u16 match_flags; //與usb設備匹配那種類型？比較類型的宏以下: //USB_DEVICE_ID_MATCH_INT_INFO : 用於匹配設備的接口描述符的3個成員 //USB_DEVICE_ID_MATCH_DEV_INFO: 用於匹配設備描述符的3個成員 //USB_DEVICE_ID_MATCH_DEVICE_AND_VERSION: 用於匹配特定的USB設備的4個成員 //USB_DEVICE_ID_MATCH_DEVICE:用於匹配特定的USB設備的2個成員(idVendor和idProduct) /* 如下4個用匹配描述特定的USB設備 */ __u16 idVendor; //廠家ID __u16 idProduct; //產品ID __u16 bcdDevice_lo; //設備的低版本號 __u16 bcdDevice_hi; //設備的高版本號 /*如下3個就是用於比較設備描述符的*/ __u8 bDeviceClass; //設備類 __u8 bDeviceSubClass; //設備子類 __u8 bDeviceProtocol; //設備協議 /* 如下3個就是用於比較設備的接口描述符的 */ __u8 bInterfaceClass; //接口類型 __u8 bInterfaceSubClass; //接口子類型 __u8 bInterfaceProtocol; //接口所遵循的協議 /* not matched against */ kernel_ulong_t driver_info; };
(設備描述符合接口描述符結構體參考:http://www.cnblogs.com/lifexy/p/7634511.html）
咱們參考/drivers/hid/usbhid/usbmouse.c(內核自帶的USB鼠標驅動),是如何使用的,以下圖所示:
發現它是經過USB_INTERFACE_INFO()這個宏定義的.該宏以下所示:
#define USB_INTERFACE_INFO(cl,sc,pr) \ .match_flags = USB_DEVICE_ID_MATCH_INT_INFO, \ //設置id_table的.match_flags成員 .bInterfaceClass = (cl), .bInterfaceSubClass = (sc), .bInterfaceProtocol = (pr) //設置id_table的3個成員,用於與匹配USB設備的3個成員
而後將上圖裏的usb_mouse_id_table []裏的3個值代入宏USB_INTERFACE_INFO(cl,sc,pr)中:
.bInterfaceClass =USB_INTERFACE_CLASS_HID; //設置匹配USB的接口類型爲HID類, 由於USB_INTERFACE_CLASS_HID=0x03 //HID類是屬於人機交互的設備,好比:USB鍵盤,USB鼠標,USB觸摸板,USB遊戲操做杆都要填入0X03 .bInterfaceSubClass =USB_INTERFACE_SUBCLASS_BOOT; //設置匹配USB的接口子類型爲啓動設備 .bInterfaceProtocol=USB_INTERFACE_PROTOCOL_MOUSE; //設置匹配USB的接口協議爲USB鼠標的協議,等於2 //當.bInterfaceProtocol=1也就是USB_INTERFACE_PROTOCOL_KEYBOARD時,表示USB鍵盤的協議
以下圖,咱們也能夠經過windows上也能夠找到鼠標的協議號,也是2:
其中VID:表示廠家(vendor)ID
PID:表示產品(Product) ID
總結:當咱們插上USB設備時,系統就會獲取USB設備的設備、配置、接口、端點的數據,並建立新設備,因此咱們的驅動就須要寫id_table來匹配該USB設備
USB總線驅動程序大概流程就此結束,未完待續——分析完後下節開始寫USB驅動
- 1. 19.Linux-USB總線驅動分析
- 2. Linux-USB驅動(4)-LinuxUSB系統架構
- 3. Linux驅動中的platform總線分析
- 4. 基於platform總線的驅動分析
- 5. Linux中IIC總線驅動分析
- 6. Linux USB總線驅動框架分析
- 7. linux總線驅動框架分析
- 8. led總線驅動
- 9. Linux驅動之USB總線驅動程序框架簡析
- 10. SPI總線驅動、設備驅動
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