乾坤合一~Linux設備驅動之USB主機和設備驅動

時間 2019-11-06

標籤乾坤合一 linux 設備驅動 usb 主機欄目 Linux 简体版

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若是不能陪你到最後
是否後悔當初咱們牽手
若是當初沒能碰見你
如今的我
在哪裏逗留
全部的愛都是冒險
那就心甘情願
等待咱們一輩子中全部懸念
我一往情深的戀人
她是個人愛人
她給個人愛就像是
帶着露水的清晨
我多想給她個人真
我心疼的愛人
我願爲她守候寂寞
就像這夜晚深沉

　　這一章從主機側角度看到的USB 主機控制器驅動和設備驅動從主機側的角度而言，須要編寫的USB 驅動程序包括主機控制器驅動和設備驅動兩類，USB 主機控制器驅動程序控制插入其中的USB 設備，而USB 設備驅動程序控制該設備如何做爲從設備與主機通訊。html

1. Linux USB驅動層次網絡

1.1 主機側與設備側USB 驅動數據結構

　　USB 採用樹形拓撲結構，每條總線上只有一個主機控制器，負責協調主機和設備間的通訊，而設備不能主動向主機發送任何消息。併發

1.2 設備、配置、接口、端點函數

　　在USB 設備的邏輯組織中，包含設備、配置、接口和端點4 個層次，每一個USB 設備都提供了不一樣級別的配置信息，能夠包含一個或多個配置，不一樣的配置使設備表現出不一樣的功能組合，配置由多個接口組成，接口由多個端點組成，表明一個基本的功能，是USB 設備驅動程序控制的對象，以下圖是USB 設備、配置、接口和端點之間的關係。ui

　　設備描述符：關於設備的通用信息，如供應商ID 、產品ID 和修訂ID，支持的設備類、子類和適用的協議以及默認端點的最大包大小等。在Linux 內核中，USB 設備用 usb_device 結構體來描述，USB 設備描述符定義爲usb_device_descriptor 結構體，其代碼以下：編碼

struct usb device descriptor 

  { 

      _ _u8 bLength; // 述符長度 

      _ _u8 bDescriptorType; // 述符類型編號 
   
      _ _le16 bcdUSB; //USB版本號 

      _ _u8 bDeviceClass; //USB分配的設備類code 

      _ _u8 bDeviceSubClass;// USB 分配的子類code 

      _ _u8 bDeviceProtocol; //USB 分配的協議code 

      _ _u8 bMaxPacketSize0; //endpoint0 最大包大小 
 
      _ _le16 idVendor; //廠商編號 
   
      _ _le16 idProduct; //產品編號 

      _ _le16 bcdDevice; //設備出廠編號 
    
      _ _u8  iManufacturer; // 述廠商字符串的索引 
   
      _ _u8  iProduct; // 述產品字符串的索引 
   
      _ _u8  iSerialNumber; // 述設備序列號字符串的索引 

      _ _u8 bNumConfigurations; //可能的配置數量 

  } _ _attribute_ _ ((packed));

　　配置描述符：此配置中的接口數、支持的掛起和恢復能力以及功率要求。USB配置在內核中使用usb_host_config 結構體描述，USB 配置描述符定義爲結構體usb_config_descriptor，其代碼以下：atom

struct usb config descriptor 

 { 

    _ _u8 bLength; // 述符長度 

    _ _u8 bDescriptorType; // 述符類型編號 

    _ _le16 wTotalLength; //配置所返回的全部數據的大小 

    _ _u8 bNumInterfaces; // 配置所支持的接口數 

    _ _u8 bConfigurationValue; //Set Configuration命令須要的參數值 

    _ _u8  iConfiguration; // 述該配置的字符串的索引值 

    _ _ u8 bmAttributes; //供電模式的選擇 
 
    _ _u8 bMaxPower; //設備從總線提取的最大電流 

 } _ _attribute_ _ ((packed));

　　接口描述符：接口類、子類和適用的協議，接口備用配置的數目和端點數目。USB接口在內核中使用 usb_interface 結構體描述，USB 接口描述符定義爲結構體 usb_interface_descriptor，其代碼以下：spa

struct usb interface descriptor 

      { 

       _ _u8 bLength;            // 述符長度 

       _ _u8 bDescriptorType; // 述符類型 

       _ _ u8 bInterfaceNumber;     // 接口的編號 
       _ _u8 bAlternateSetting; //備用的接口 述符編號 
       _ _u8 bNumEndpoints;        //該接口使用的端點數，不包括端點0 
         
        _ _ u8 bInterfaceClass;      //接口類型 
         
        _ _ u8 bInterfaceSubClass; //接口子類型 
        
        _ _ u8 bInterfaceProtocol; //接口所遵循的協議 
 
        _ _ u8  iInterface; // 述該接口的字符串索引值 
     } _ _attribute_ _ ((packed));

　　端點描述符：端點地址、方向和類型，支持的最大包大小，若是是中斷類型的端點則還包括輪詢頻率。在 Linux 內核中，U SB 端點使用 usb_host_endpoint 結構體來描述，USB端點描述符定義爲 usb_ endpoint_ descriptor 結構體，其代碼以下：線程

struct usb endpoint descriptor 
      { 
       _ _u8 bLength; // 述符長度 
       _ _u8 bDescriptorType; // 述符類型 
       _ _u8  bEndpointAddress; //端點地址：0 ～3 位是端點號，第 7 位是方向 (0-OUT,1-IN) 
       
       _ _ u8 bmAttributes; //端點屬性：bit[0:1] 的值爲00表示控制，爲01表示同步，爲02表示批量，爲03表示中 
         
       _ _le16 wMaxPacketSize; //// 本端點接收或發送的最大信息包的大小 
        
       _ _u8 bInterval;      //輪詢數據傳送端點的時間間隔 
                             //對於批量傳送的端點以及控制傳送的端點，此域忽略 
                            //對於同步傳送的端點，此域必須爲1 
                            //對於中 傳送的端點，此域值的範圍爲1～255 
        
       _ _u8 bRefresh; 
       _ _u8 bSynchAddress; 
     } _ _attribute_ _ ((packed));

　　字符串描述符：在其餘描述符中會爲某些字段提供字符串索引，它們被用來檢索描述性字符串，能夠以多種語言形式提供。字符串描述符是可選的，有的設備有，有的設備沒有，字符串描述符對應於usb_string_ descriptor 結構體，其代碼以下：

struct usb string descriptor 
      { 
        _ _u8 bLength; // 述符長度 
        _ _u8 bDescriptorType; // 述符類型 
        _ _le16 wData [1];        /* 以UTF-16LE編碼 */ 
      } _ _attribute_ _ ((packed));

2 USB主機驅動

　　USB 主機控制器有 3 種規格：OHCI (Open Host Controller Interface) 、UHCI (Universal Host Controller Interface) 和EHCI (Enhanced Host Controller Interface) 。

2.1 主機控制器驅動

　　在Linux 內核中，用usb_hcd 結構體描述USB 主機控制器驅動，它包含USB 主機控制器的「家務」信息、硬件資源、狀態描述和用於操做主機控制器的 hc_driver等，其代碼以下：

struct usb hcd 

      { 

        /* 管理 「家務」 */ 

        struct usb bus self; 
 
        const char *product desc; /* 產品/廠商字符串 */ 

        char irq descr [24]; /* 驅動 + 總線 # */ 
 
         struct timer list rh timer; /* 根Hub 輪詢 */ 
                         
         struct urb *status urb; /* 目前的狀態urb */ 
      
        /* 硬件信息/狀態 */ 
                          
        const struct hc driver *driver; /* 硬件特定的鉤子函數 */ 
      
        /* 須要維護的標誌 */ 
        unsigned long flags; 
                        
        #define HCD FLAG HW ACCESSIBLE  0x00000001 
                       
        #define HCD FLAG SAW IRQ            0x00000002 
      
        unsigned rh_registered: 1; /* 根Hub 註冊？ */ 
      
        /* 下一個標誌的採用只是 「權益之計」，當全部HCDs 支持新的根Hub 輪詢機制後將移除 */ 
                
        unsigned uses new polling: 1; 
                        
        unsigned poll rh: 1; /* 輪詢根Hub 狀態? */ 
                         
        unsigned poll pending: 1; /* 狀態已經改變? */ 
      
        int irq; /* 被分配的irq */ 

        void _ _iomem *regs; /* 設備內存和I/O */ 

        u64 rsrc start; /* 內存和I/O資源開始位置 */ 

        u64 rsrc len; /* 內存和I/O資源長度 */ 

        unsigned power budget; /* mA, 0 = 無限制 */ 

        #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) 

        /* 主機控制器驅動的私有數據 */ 

　　　　 unsigned long hcd priv [0]    attribute    ((aligned (sizeof(unsigned long)))); 

      };

　　Linux中採用如下函數建立HCD：

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

　如下函數用來增長和移除：

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

2.2 OHCI 主機控制器驅動

　　OHCI HCD 驅動屬於HCD 驅動的實例，它定義了一個ohci_hcd 結構體，使用以下內聯函數可實現usb_hcd 和ohci_hcd 的相互轉換：

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

　　從usb_hcd 獲得ohci_hcd 只是取得「私有」數據，而從ohci_hcd 獲得usb_hcd 則是經過container_of()從結構體成員得到結構體指，使用以下函數可初始化OHCI 主機控制器：

int ohci init (struct ohci hcd *ohci);

以下函數分別用於開啓、中止及復位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設備驅動

3.1 USB設備驅動總體結構

有如下設備類

音頻設備類。
通訊設備類。
HID （人機接口）設備類。
顯示設備類。
海量存儲設備類。
電源設備類。
打印設備類。
集線器設備類。

　　Linux 內核爲各種USB 設備分配了相應的設備號，內核中提供了USB 設備文件系統（usbdevfs，Linux 2.6 改成usbfs，即USB 文件系統），它和/proc 相似，都是動態產生的。經過在/etc/fstab 文件中添加以下一行：

none /proc/bus/usb usbfs defaults

或者輸入命令：

mount -t usbfs none /proc/bus/usb

能夠實現USB 設備文件系統的掛載。

　　此外，在sysfs 文件系統中，一樣包含了USB 相關信息的描述，但只限於接口級別。USB 設備和USB 接口在sysfs 中均表示爲單獨的USB 設備，其目錄命名規則以下：

根集線器-集線器端口號（-集線器端口號-...）:配置.接口。

3.2 USB請求塊(URB)

　　USB 請求塊（USB request block，urb ）是USB 設備驅動中用來描述與USB 設備通訊所用的基本載體和核心數據結構，很是相似於網絡設備驅動中的sk_buff 結構體，是USB 主機與設備通訊的「電波」，urb 結構體，代碼以下：

struct urb 

　　{ 

        /* 私有的：只能由USB核心和主機控制器訪問的字段 */ 
        struct kref kref; /*urb 引用計數 */ 
        
        spinlock t lock; /* urb鎖 */ 
        void *hcpriv; /* 主機控制器私有數據 */ 
        int bandwidth; /* INT/ISO請求的帶寬 */ 
             
        atomic t use count; /* 併發傳輸計數 */ 
        u8 reject; /* 傳輸將失敗*/ 

       /* 公共的： 能夠被驅動使用的字段 */ 
               
       struct list head urb list; /* 鏈表頭*/ 
               
       struct usb device *dev; /* 關聯的USB 設備 */ 
       unsigned int pipe; /* 管道信息 */ 
       int status; /* URB 的當前狀態 */ unsigned int transfer flags; /* URB SHORT NOT OK | ...*/

　　　　void *transfer buffer; /* 發送數據到設備或從設備接收數據的緩衝區 */

　　　　dma addr t transfer dma; /*用來以DMA 方式向設備傳輸數據的緩衝區 */

　　　　int transfer buffer length;/*transfer buffer 或 transfer dma 指向緩衝區的大小 */

　　　　int actual length; /* URB 結束後，發送或接收數據的實際長度 */

　　　　unsigned char *setup packet; /* 指向控制URB 的設置數據包的指針*/

　　　　dma addr t setup dma; /*控制URB 的設置數據包的DMA 緩衝區*/

　　　　int start frame; /*等時傳輸中用於設置或返回初始幀*/

　　　　int number of packets; /*等時傳輸中等時緩衝區數據 */
　　　　int interval; /* URB被輪詢到的時間間隔（對中和等時urb 有效） */

　　　　int error count; /* 等時傳輸錯誤數量 */
　　　　void *context; /* completion 函數上下文 */

　　　　usb complete t complete; /* 當URB 被徹底傳輸或發生錯誤時，被調用 */

　　　　struct usb iso packet descriptor iso frame desc[0];
　　　　/*單個URB 一次可定義多個等時傳輸時，描述各個等時傳輸 */

　　};

　　USB 設備中的每一個端點都處理一個urb 隊列，在隊列被清空以前，一個urb 的典型生命週期有如下幾個過程：

被一個 USB設備驅動建立
初始化，被安排給一個特定USB 設備的特定端點
被USB 設備驅動提交給USB
提交由USB 核心指定的USB 主機控制器驅動。
被USB 主機控制器處理，進行一次到USB 設備的傳送。
當urb 完成，USB 主機控制器驅動通知USB 設備驅動

3.3 簡單的批量與控制URB

1）usb_bulk_msg()

usb_bulk_msg()函數建立一個USB 批量urb 並將它發送到特定設備，這個函數是同步的，它一直等待urb 完成後才返回。usb_bulk_msg()函數的原型爲：

int usb bulk msg (struct usb device *usb dev, unsigned int pipe, 
void *data, int len, int *actual length,  int timeout); 
//usb_dev 參數爲批量消息要發送的USB 設備的指 ，pipe 爲批量消息要發送到的 USB 設備的端點，data 參數爲指向要發送或接收的數據緩衝區的指 ，len 參數爲data 參數//所指向的緩衝區的長度，actual_length 用於返回實際發送或接收的字節數，timeout 是發送超時，以ji ffies 爲單位，0 意味着永遠等待。

// 若是函數調用成功，返回0 ；不然，返回1 個負的錯誤值。

2 ）usb_control_msg()函數

usb_control_msg() 函數與 usb_bulk_msg() 函數相似，不過它提供驅動發送和結束USB 控制信息而非批量信息的能力，該函數的原型爲：

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 指向控制消息發往的USB 設備，pipe 是控制消息要發往的USB 設備的端點， request 是這個控制消息的USB 請求值，requesttype 是這個控制消息的USB 請求類型， //value 是這個控制消息的USB 消息值，index 是這個控制消息的USB 消息索引值，data 指向要發送或接收的數據緩衝區，size

3) 探測和斷開函數

在USB 設備驅動usb_driver 結構體的探測函數中，應該完成以下工做：