Linux子系统系列-USB

最近调查了MUSB的一个问题，将USB这块的框架简单梳理了一下，趁热这次做下记录，能提纲挈领即可

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目录

0，背景

1，USB 子系统结构

2，USB 子系统实现

0，背景

以前刚接触到USB设备-u盘时，我们每次都得手动查找新硬件，然后驱动安装，才能访问，后来慢慢的U盘一插上都能用了，当时很懒，也不去多想其中原理，就觉得真是神奇啊......

以后工作中都和这一类的东西打交道，才发现不光USB，所有其他一些支持即插即拔功能的总线，能发挥这种功效，都是中断（可以算是硬件规范）和一些驱动编程规范起了作用。

硬件规范可以不管任何设备，只要满足一些很简单的接口设计要求，就可以应用在任何场合（剩下的交给驱动了），这也是计算机的loader（可以启动各种操作系统）的设计原理。

没有规矩，不成方圆！

没有规范，没有驱动！！

USB的规范手册就描述了一种总线，这条总线上可以连接很多种设备（mass storage,keyboards,mice,etc.），通过它多种设备可以稳定的和host进行通信。

基于这个规范，Linux内核提供了USB子系统驱动。

需要注意的事，Linux的USB子系统只提供属于预定义的类别的设备的驱动，对于那些例外，需要特定的设备驱动，这里只是点出。

1，USB 子系统结构

回想大学时候数据结构没有学好，当时觉得学这些东西不知道拿来做什么，不能和实际的东西扯上关系，兴趣也就江河日下......这是前话，暂且不表了

这里我们就从描述当一个USB设备插上主机开始，看USB子系统如何工作，来了解它的大致框架：

U盘插上电脑，根据USB总线的硬件规范，会产生一个中断给CPU，

CPU根据中断管理器送过来的中断号调用相关的中断函数，如果是一个共享号，这个中断函数里面会对共享它的相关硬件的寄存器进行check，看是否有中断到来，然后，就呼呼的去完成每个硬件设备要完成的工作了。

所有的硬件都遵循一些规范来设计，他们之间的协同工作就变的那么优美...

譬如人与人/社会之间，如果没有一些规范来约束，就会变得混乱不堪，

USB设备插入调用的中断函数会发出一个event，来交待在USB 总线上来了一个新人，这个event会发给用户空间的udevd（或mdevd，如果你使用busybox的话），udevd会根据event中的一些数据来插入相应的模块，挂载对应这个设备的驱动......

这个过程简单描述如下：

虽然，而且到目前为止，我也一直这样认为，USB总线和USB设备使用软件进行抽象描述起来是非常复杂的，一方面是协议使然，一方面也是因为它们使用太广泛了，抽象时考虑很太多情况。

但是，幸运的是，内核开发者们抽象出来的内核USB 子系统把很多复杂性都隐藏了（一群让我们又爱又恨的人啊 :)）。

这样对整个过程趟了一遍，我们就自然而然的对在其中的软件实现思想和层次来兴趣了，这里我们先总览一下：

针对这幅图，为了理解什么是USB子系统，我们要做以下说明：

a) USB 驱动都是夸kernel子系统的，因为最终USB设备是要通过BLCOCK 或CHAR设备的方式呈现给我们的，所以我们从图中看到USB Driver之上还有一层。

b) USB driver利用USB Core提供的API来简单优雅的完成驱动工作，这里USB Core抽象了复杂的USB协议。

c) 主机控制器驱动位于USB软件的最下层，提供主机控制器硬件的抽象，隐藏硬件的细节，在主机控制器之下是物理的USB及所有与之连接的USB设备。主机控制器驱动只和USB Core进行关联，USB Core将用户的请求映射到相关的主机控制器驱动，从而使用户无需去访问主机控制器。

d) USB Core和USB主机控制器驱动就构成了我们的USB子系统，USB Core负责实现一些核心的功能，例如协议之类，提供一个用于访问和控制USB硬件的接口，使设备驱动不用去考虑系统当前使用哪种主机控制器。自从有了USB子系统，写USB驱动的时候，只需要调用USB Core export的接口，就几乎能完成所有工作。

2，USB 子系统实现

2.1 初始化

先罗嗦一下USB设备是如何抽象的：

a) 一个USB会由一个或多个configuration来构成

b) 一个configuration会由一个或多个Interface来构成

c) 一个interface会由一个或多个setting来构成

d) 一个interface会包含0或多个endpoint

USB设备和主机的通信channel被称为endpoint： Control，Interrupt， Bulk，Isochronous

interface其实就是通过endpoint来呈现的。

一个USB 驱动会跟一个USB设备的interface绑定

在USB子系统中，usb_device_id这个数据结构被用来匹配USB设备和相应的驱动。为了使用方便，USB Core会提供一些宏来协助建立这个数据结构。按照约定，这个表会在驱动中export出来（使用MODULE_DEVICE_TABLE宏），在build阶段的时候，这个表会被写入到模块的数据库，被UDEV以后使用。

任何驱动在一开始，都要去注册，在USB子系统中，driver被usb_register函数使用usb_drivr数据结构来进行注册。

当USB Core认为它已经为一个设备的interface发现相应的驱动时，probe函数就会被调用。

probe函数会完成许多重要的工作，例如：为interface的相关数据分配空间，根据interface的特性，注册其他kernel子系统（Block，Char，Net，TTY，etc）

2.2 通信

大部分情况下，USB设备的通信工作在软件层使用USB Request Blocks（URB）的方式来完成。

URB使用异步的方式在endpoint上来发送或接受数据，每个URB被初始化并赋值后会被提交到USB Core，由USB Core来完成后续的工作。

使用URB来进行通信会涉及到许多USB Core API的使用，有时候用户很希望简化使用方式，譬如我这种懒人，可爱的kernel开发者又给我们提供一些接口，我们可以很简单的完成USB endpoint的通信工作而不涉及到URB的操作（其实是将URB的操作封装了）