Linux驅動之USB總線驅動程序框架簡析

通用串行總線（USB）是主機和外圍設備之間的一種鏈接。USB總線規範有1.1版和2.0版，固然如今已經有了3.0版本。USB1.1支持兩種傳輸速度：低速爲1.5Mbps，高速爲12Mbps。USB2.0的傳輸速度能夠高達480Mbps。USB2.0向下兼容USB1.1，能夠將USB1.1的設備鏈接到USB2.0控制器上，也能夠把USB2.0的設備鏈接到USB1.1控制器上。S3C2440的USB主機控制器支持USB1.1總線規範。

USB總線的拓撲結構以下圖所示：USB主機控制器（USB Host Controller）經過根集線器（Root Hub）與其餘USB設備相連。集線器也屬於USB設備，經過它能夠在一個USB接口上擴展出多個接口。除根集線器外，最多能夠層疊5個根集線器。一條USB主線上最多能夠外接127個設備，固然包括根集線器和其餘集線器。整個結構圖是一個星型結構，一條USB總線上全部設備共享一條通往主機的數據通道，同一時刻只能有一個設備與主機通信

經過USB主機控制器來管理外接的USB設備。USB控制器實際上由USB控制器硬件+USB控制器軟件組成的。USB主機控制器分爲3種：UHCI、OHCI、EHCI。UHCI與OHCI支持USB1.1協議；EHCI支持USB2.0協議。UHCI，它的硬件比較簡單，因此軟件相對就比較複雜；而OHCI，它的硬件具有更多性能，相反的軟件作的事情就比較少。S3C2440的USB主機控制器支持OHCI主機控制器。HCI的英文全稱爲（Host Controller Interface）。

根據以上知識能夠知道其實USB驅動程序能夠分爲兩類：USB主機控制器驅動程序（Host Controller Drivers）、USB設備驅動程序（USB device drivers）。它們在內核中的層次以下圖所示

USB主機控制器驅動程序提供訪問USB設備的接口，它只是一個數據通道，至於這些數據有什麼做用，這要靠上層的USB設備驅動程序來解釋。USB設備驅動程序使用下層的驅動提供的數據接口來訪問USB設備，不須要關心具體的傳輸細節。在Linux2.6中，USB主機控制器驅動程序已經幫咱們寫好了，下面就簡單分析一下USB主機控制器驅動程序。

一、在分析USB主機控制器驅動程序以前先來看幾個問題：

當把你的安卓手機經過USB接口接到電腦上的USB口時，會有以下現象

一、右下角彈出「發現andrido phone」。

二、跳出一個對話框，提示你安裝驅動程序。

那麼問題便來了

問題一、既然尚未「驅動程序」，爲什麼能知道是「andrido phone」
答1：windows裏已經有了USB的總線設備驅動程序，接入USB設備後，是「總線驅動程序」知道你是「andrido phone」，提示你安裝的是「設備驅動程序」，USB總線驅動程序負責：識別USB設備，給USB設備找到對應的驅動程序

問題二、USB設備種類很是多，爲何一接入電腦就能識別出來？
答2：PC和USB設備都得遵照一些規範。
好比：USB設備接入電腦後,PC會發出「你是什麼？」USB設備必須回答「我是XXX」，而且回答的語言必須是中文；
USB總線驅動程序會發出某些命令獲取設備信息（描述符），USB設備必須返回「描述符」給PC。

問題三、PC機上接有很是多的USB設備，怎麼分辨它們？
答3：接在USB總線上的每一個USB設備都有本身的編號（地址），每個USB設備接入PC時，USB總線驅動程序都會給它分配一個編號，PC機想訪問某個USB設備時，要先發出的命令都含有對方的編號（地址）

問題四、USB設備剛接入PC時，尚未編號，那麼PC怎麼把「分配的編號」告訴它？
答4：新接入的USB設備的默認編號是0，在未分配新的編號前，PC使用0編號和它通信。

問題五、爲何一接入USB設備，PC機就能發現它（又沒有中斷）
答5：USB接口只有4條線：5V、GND、D-、D+。PC的USB口內部D-和D+接有15K的下拉電阻，未接USB設備時爲低電平；USB設備的USB口內部，D-或D+接有1.5k的上拉電阻：它一接入就會把PC USB口D-（全速）或D+（高速）拉高，從硬件的角度通知PC有新設備接入。

從以上問答能夠看出來USB總線驅動程序的做用能夠總結爲：（後面會再詳細說明）

一、識別設備
二、找到並安裝對應的USB設備驅動
三、提供USB讀寫函數（不瞭解數據含義）

 

 二、接着再提出一些USB的概念

一、USB是主從結構的
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
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讀數據，只能被動的等待PC機被讀

二、USB的傳輸類型：
a、控制傳輸：可靠，時間有保證，好比USB設備的識別過程
b、批量傳輸：可靠，時間沒有保證，好比：U盤
c、中斷傳輸（仍是查詢方式）：可靠，實時，好比：USB鼠標
d、實時傳輸：數據不可靠，實時，好比：USB攝像頭

三、USB傳輸的對象：端點(endpoint)
咱們說「讀U盤」、「寫U盤」能夠細化爲：把數據寫到U盤的端點1，把數據從U盤的端點2裏讀出數據
除了端點0以外，每個端點只支持一個方向的數據傳輸
端點0用於控制傳輸，既能輸出也能輸入

四、每個端點都只有一個傳輸類型，傳輸方向

五、術語裏、程序裏說的輸入（IN）、輸出（OUT）「都是」基於USB主機的立場說的。
好比鼠標的數據是從鼠標傳入PC機的，對應的端點稱爲「輸入端點」

 

三、經過前面的描述對於USB已經有了大體的瞭解了，接着經過程序分析來更深刻的瞭解USB設備的識別過程：

把一個USB鼠標接到開發板上會彈出以下信息：

usb 1-1: new full speed USB device using s3c2410-ohci and address 3 usb 1-1: configuration #1 chosen from 1 choice scsi1 : SCSI emulation for USB Mass Storage devices 拔掉 usb 1-1: USB disconnect, address 3 再接上 usb 1-1: USB disconnect, address 3usb 1-1: new full speed USB device using s3c2410-ohci and address 4 usb 1-1: configuration #1 chosen from 1 choice scsi2 : SCSI emulation for USB Mass Storage devices

其中address3，address4就是USB核心程序給USB設備分配的地址。查找「USB device using 」關鍵字，在drivers/usb/core/hub.c的2186行找到了這句話："%s %s speed %sUSB device using %s and address %d\n"。它位於hub_port_init函數下，層層查找能夠發現最終是hub_irq函數致使了hub_port_init被調用。hub_irq不是一個真正的中斷處理程序，它只是集線器USB設備的數據接收完成後的回調函數，其實drivers/usb/core/hub.c也不過是一個USB設備驅動程序而已。

drivers/usb/core/hub.c程序先放到一邊，待會再來分析它。先嚐試找一下USB控制器的驅動程序，在drivers\usb\host\Ohci-s3c2410.c找到了這個驅動程序， 它以平臺設備驅動程序爲框架，drivers\usb\host\Ohci-s3c2410.c屬於driver層

static struct platform_driver ohci_hcd_s3c2410_driver = { .probe = ohci_hcd_s3c2410_drv_probe,//一旦匹配devices則被調用
    .remove        = ohci_hcd_s3c2410_drv_remove, .shutdown = usb_hcd_platform_shutdown, /*.suspend = ohci_hcd_s3c2410_drv_suspend, */
    /*.resume = ohci_hcd_s3c2410_drv_resume, */ .driver = { .owner = THIS_MODULE, .name = "s3c2410-ohci", }, };

接着搜索「s3c2410-ohci」，找到了devices層，位於arch\arm\plat-s3c24xx\Devs.c

struct platform_device s3c_device_usb = { .name = "s3c2410-ohci", .id = -1, .num_resources = ARRAY_SIZE(s3c_usb_resource), .resource = s3c_usb_resource, .dev = { .dma_mask = &s3c_device_usb_dmamask, .coherent_dma_mask = 0xffffffffUL } };

到這裏咱們尚未找到插上USB設備後第一個運行的函數，咱們猜想這個函數一定是一箇中斷，USB控制器接收到數據後將會產生一箇中斷給MCU，而後MCU再進行處理。如今咱們就是要找到這一個中斷函數，在drivers/usb/core/hub.c中找到了usb_add_hcd函數，它位於usb_hcd_s3c2410_probe函數下，這個函數一旦有USB控制器設備匹配就會被調用。

static int usb_hcd_s3c2410_probe (const struct hc_driver *driver, struct platform_device *dev) { ... ... retval = usb_add_hcd(hcd, dev->resource[1].start, IRQF_DISABLED);//註冊OHCI控制器中斷
    if (retval != 0) goto err_ioremap; ... ... }

繼續往下看usb_add_hcd函數，它位於drivers\usb\core\hcd.c下

int usb_add_hcd(struct usb_hcd *hcd, unsigned int irqnum, unsigned long irqflags) { ... ... if ((retval = request_irq(irqnum, &usb_hcd_irq, irqflags, hcd->irq_descr, hcd)) != 0) {//中斷USB中斷
            dev_err(hcd->self.controller, "request interrupt %d failed\n", irqnum); goto err_request_irq; } hcd->irq = irqnum; ... ... } 

在這裏看到了調用註冊中斷函數，而且它的中斷處理回調函數爲usb_hcd_irq，它一樣位於drivers\usb\core\hcd.c下

irqreturn_t usb_hcd_irq (int irq, void *__hcd) { struct usb_hcd        *hcd = __hcd; int            start = hcd->state; if (unlikely(start == HC_STATE_HALT ||
        !test_bit(HCD_FLAG_HW_ACCESSIBLE, &hcd->flags))) return IRQ_NONE; if (hcd->driver->irq (hcd) == IRQ_NONE) return IRQ_NONE; set_bit(HCD_FLAG_SAW_IRQ, &hcd->flags);//設置中斷標誌

    if (unlikely(hcd->state == HC_STATE_HALT)) usb_hc_died (hcd); return IRQ_HANDLED; }

這樣，經過usb_hcd_irq 函數的做用，最終將會調用到drivers/usb/core/hub.c下的hub_irq函數。以前說過drivers/usb/core/hub.c其實也是一個USB設備驅動程序，它實際上是一個根集線器驅動程序。這裏直接列出匹配USB設備驅動程序的過程。

 

hub_irq kick_khubd hub_thread hub_events hub_port_connect_change usb_alloc_dev(hdev, hdev->bus, port1); dev->dev.type = &usb_device_type; choose_address(udev); //給新設備分配編號（地址）
 hub_port_init //usb 1-1: new full speed USB device using s3c2410-ohci and address 3
                        hub_set_address  //把編號（地址）告訴USB設備
                        usb_get_device_descriptor(udev, 8);//獲取設備描述符
 usb_get_device_descriptor(udev, USB_DT_DEVICE_SIZE); usb_new_device(udev); usb_get_configuration(udev);//把全部的描述符都讀出來並解析
 usb_parse_configuration device_add//把device放入usb_bus_type的dev鏈表， //從usb_bus_type的driver鏈表中取出usb_driver //把usb_interface和usb_driver的id_table比較 //若是能匹配，調用usb_driver的probe函數

 

大體總結一下：

一、當接上USB鼠標後，USB主機控制器檢查到D-或D+接口變高知道了有設備接入。

二、USB主機控制器把新分配的編號告訴USB設備，這時候仍是以0地址通信的。

三、USB主機控制器以0地址從USB設備得到設備描述符的前8個字節，從這8個字節能夠知道後面全部設備描述符總共的大小

四、知道了剩下設備描述符的大小，就能夠將剩餘的設備描述符都讀出來

五、接着把device放入usb_bus_type的dev鏈表

六、從usb_bus_type的driver鏈表中取出usb_driver

七、把usb_interface和usb_driver的id_table比較（對於USB鼠標最終比較的是接口描述符下的bInterfaceClass;bInterfaceSubClass;bInterfaceProtocol;三個信息，中文翻譯爲設備類型，設備子類型，設備協議）

八、若是能匹配，調用usb_driver的probe函數

 從上面總結能夠看出，要寫USB設備的驅動程序就須要對usb_driver結構體進行初始。

 

USB各個描述符的關係以下，具體描述符結構將在下一節講解

 

 以上就是USB總線驅動程序的框架，USB設備是一個很是複雜的東西，這裏只是簡單的描述，並未深刻理解。目的是爲了編寫USB設備驅動程序。