Linux设备驱动程序学习-USB 驱动程序(一)

来源:互联网 发布:apache poi android 编辑:程序博客网 时间:2024/06/05 00:13

内核使用2.6

       拓扑结构上, 一个 USB 子系统并不是以总线的方式来分布; 它是一棵由几个点对点连接构成的树。这些连接是连接设备和集线器的4线电缆(地, 电源, 和 2 个差分信号线), 如同以太网的双绞线。USB主控制器负责询问每个USB设备是否有数据需要发送。
由于这个拓扑结构,一个 USB 设备在没有主控制器要求的情况下不能发送数据. 也就是说:USB是单主方式的实现,主机轮询各外设。但是设备也可以要求一个固定的数据传输带宽,以保证可靠的音视频I/O。USB只作为数据传输通道,对他所收发的数据格式没有特殊的内容和结构上的要求,也就是类似于透传。

Linux内核支持两种主要类型的USB驱动程序:Host系统上的驱动程序(USB device driver)和device上的驱动程序(USB gadget driver)(设备端驱动)。
USB驱动程序存在于不同的内核子系统和USB硬件控制器之中。USB核心为USB驱动程序提供了一个用于访问和控制USB硬件的接口,它隐藏了USB控制器的硬件细节。从这里我们要知道:《LDD3》所谓的USB驱动是针对USB核心提供的接口而写的,并不是真正去操纵USB硬件控制器中的寄存器。这样你必须保证你的板子上CPU的USB硬件控制器的驱动是可用的。否则您就得先搞定CPU的USB硬件控制器的驱动才行。

以下是Linux内核中USB驱动的软件构架:

    如左下图所示,从主机侧的观念去看,在Linux驱动中,USB驱动处于最底层的是USB主机控制器硬件,在其之上运行的是USB主机控制器驱动,主机控制器

上为USB核心层,再上层为USB设备驱动层(插入主机上的U盘、鼠标、USB转串口等设备驱动)。因此,在主机侧的层次结构中,要实现的USB驱动包括两类:

USB主机控制器驱动和USB设备驱动,前者控制插入其中的USB设备,后者控制USB设备如何与主机通信。Linux内核USB核心负责USB驱动管理和协议处理的主

要工作。主机控制器驱动和设备驱动之间的USB核心非常重要,其功能包括:通过定义一些数据结构、宏和功能函数,向上为设备驱动提供编程接口,向下为USB

主机控制器驱动提供编程接口;通过全局变量维护整个系统的USB设备信息;完成设备热插拔控制、总线数据传输控制等。

    如右下图所示,Linux内核中USB设备侧驱动程序分为3个层次:UDC驱动程序、Gadget API和Gadget驱动程序。UDC驱动程序直接访问硬件,控制USB设

备和主机间的底层通信,向上层提供与硬件相关操作的回调函数。当前Gadget API是UDC驱动程序回调函数的简单包装。Gadget驱动程序具体控制USB设备功

能的实现,使设备表现出“网络连接”、“打印机”或“USB Mass Storage”等特性,它使用Gadget API控制UDC实现上述功能。Gadget API把下层的UDC驱动

程序和上层的Gadget驱动程序隔离开,使得在Linux系统中编写USB设备侧驱动程序时能够把功能的实现和底层通信分离。

以上的图和文字载自 华清远见的《Linux设备驱动开发详解

《LDD3》中的USB驱动的介绍分以下几块:
-----------基础知识部分--------------
(1)USB设备基础
        端点
        接口
        配置
(2)USB和sysfs
(3)USB urb
        struct urb
        创建和销毁urb
           中断urb
           批量urb
           控制urb
           等时urb
        提交urb
        结束urb:结束回调处理例程
        取消urb
-------------------------------

--------驱动编写部分(一)--------------
(4)编写USB驱动程序
        驱动支持什么设备
        注册USB驱动程序
        探测和断开的细节
        提交和控制urb
-------------------------------

--------驱动编写部分(二)--------------
(5)不使用urb的USB传输 
        usb_bulk_msg
        usb_control_msg
(6)其他USB数据函数
-------------------------------


USB设备其实很复杂,但是Linux内核提供了一个称为USB core的子系统来处理了大部分的复杂工作,所以这里所描述的是驱动程序和USB core之间的接口。

在USB设备组织结构中,从上到下分为设备(device)、配置(config)、接口(interface)和端点(endpoint)四个层次。
对于这四个层次的简单描述如下:
    设备通常具有一个或多个的配置
    配置经常具有一个或多个的接口
    接口通常具有一个或多个的设置
    接口没有或具有一个以上的端点


设备
  很明显,地代表了一个插入的USB设备,在内核使用数据结构 struct usb_device来描述整个USB设备。(include/linux/usb.h)

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  1.  struct usb_device {  
  2.    int devnum; //设备号,是在USB总线的地址  
  3.    char devpath [16]; //用于消息的设备ID字符串  
  4.    enum usb_device_state state; //设备状态:已配置、未连接等等  
  5.    enum usb_device_speed speed; //设备速度:高速、全速、低速或错误  
  6.     
  7.    struct usb_tt *tt; //处理传输者信息;用于低速、全速设备和高速HUB  
  8.    int ttport; //位于tt HUB的设备口  
  9.     
  10.    unsigned int toggle[2]; //每个端点的占一位,表明端点的方向([0] = IN, [1] = OUT)    
  11.    struct usb_device *parent; //上一级HUB指针  
  12.    struct usb_bus *bus; //总线指针  
  13.    struct usb_host_endpoint ep0; //端点0数据  
  14.   
  15.    struct device dev; //一般的设备接口数据结构  
  16.    
  17.    struct usb_device_descriptor descriptor; //USB设备描述符  
  18.    struct usb_host_config *config; //设备的所有配置  
  19.   
  20.    struct usb_host_config *actconfig; //被激活的设备配置  
  21.    struct usb_host_endpoint *ep_in[16]; //输入端点数组  
  22.    struct usb_host_endpoint *ep_out[16]; //输出端点数组  
  23.     
  24.    char **rawdescriptors; //每个配置的raw描述符  
  25.     
  26.    unsigned short bus_mA; //可使用的总线电流  
  27.   
  28.    u8 portnum;//父端口号  
  29.    u8 level; //USB HUB的层数  
  30.     
  31.    unsigned can_submit:1; //URB可被提交标志  
  32.    unsigned discon_suspended:1; //暂停时断开标志  
  33.    unsigned persist_enabled:1; //USB_PERSIST使能标志  
  34.    unsigned have_langid:1; //string_langid存在标志  
  35.    unsigned authorized:1;   
  36.    unsigned authenticated:1;  
  37.    unsigned wusb:1; //无线USB标志  
  38.   
  39.    int string_langid; //字符串语言ID  
  40.     
  41.    /* static strings from the device */ //设备的静态字符串  
  42.    char *product; //产品名  
  43.    char *manufacturer; //厂商名  
  44.    char *serial; //产品串号  
  45.     
  46.    struct list_head filelist; //此设备打开的usbfs文件  
  47.   
  48.   #ifdef CONFIG_USB_DEVICE_CLASS  
  49.    struct device *usb_classdev; //用户空间访问的为usbfs设备创建的USB类设备  
  50.   #endif  
  51.   #ifdef CONFIG_USB_DEVICEFS  
  52.    struct dentry *usbfs_dentry; //设备的usbfs入口  
  53.   #endif  
  54.     
  55.    int maxchild; //(若为HUB)接口数  
  56.    struct usb_device *children[USB_MAXCHILDREN];//连接在这个HUB上的子设备  
  57.    int pm_usage_cnt; //自动挂起的使用计数  
  58.    u32 quirks;   
  59.    atomic_t urbnum; //这个设备所提交的URB计数  
  60.     
  61.    unsigned long active_duration; //激活后使用计时  
  62.   #ifdef CONFIG_PM //电源管理相关  
  63.    struct delayed_work autosuspend; //自动挂起的延时  
  64.    struct work_struct autoresume; //(中断的)自动唤醒需求  
  65.    struct mutex pm_mutex; //PM的互斥锁   
  66.     
  67.    unsigned long last_busy; //最后使用的时间  
  68.    int autosuspend_delay;   
  69.    unsigned long connect_time; //第一次连接的时间  
  70.     
  71.    unsigned auto_pm:1; //自动挂起/唤醒  
  72.    unsigned do_remote_wakeup:1; //远程唤醒  
  73.    unsigned reset_resume:1; //使用复位替代唤醒  
  74.    unsigned autosuspend_disabled:1; //挂起关闭  
  75.    unsigned autoresume_disabled:1; //唤醒关闭  
  76.    unsigned skip_sys_resume:1; //跳过下个系统唤醒  
  77.   #endif  
  78.    struct wusb_dev *wusb_dev; //(如果为无线USB)连接到WUSB特定的数据结构  
  79.   
  80.   };  

配置
    一个USB设备可以有多个配置,并可在它们之间转换以改变设备的状态。比如一个设备可以通过下载固件(firmware)的方式改变设备的使用状态(我感觉
类似FPGA或CPLD),那么USB设备就要切换配置,来完成这个工作。一个时刻只能有一个配置可以被激活。Linux使用结构 struct usb_host_config 来描
述USB配置。我们编写的USB设备驱动通常不需要读写这些结构的任何值。可在内核源码的文件include/linux/usb.h中找到对它们的描述。

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  1. struct usb_host_config {  
  2.     struct usb_config_descriptor desc; //配置描述符  
  3.   
  4.     char *string; /* 配置的字符串指针(如果存在) */  
  5.     struct usb_interface_assoc_descriptor *intf_assoc[USB_MAXIADS]; //配置的接口联合描述符链表  
  6.     struct usb_interface *interface[USB_MAXINTERFACES]; //接口描述符链表  
  7.     struct usb_interface_cache *intf_cache[USB_MAXINTERFACES];   
  8.     unsigned char *extra; /* 额外的描述符 */  
  9.     int extralen;  
  10. };  

接口
USB端点被绑为接口,USB接口只处理一种USB逻辑连接。一个USB接口代表一个基本功能,每个USB驱动控制一个接口。所以一个物理上的硬件设备可能需要
一个以上的驱动程序。这可以在“晕到死 差屁”系统中看出,有时插入一个USB设备后,系统会识别出多个设备,并安装相应多个的驱动。

USB 接口可以有其他的设置,它是对接口参数的不同选择. 接口的初始化的状态是第一个设置,编号为0。 其他的设置可以以不同方式控制独立的端点。

USB接口在内核中使用 struct usb_interface 来描述。USB 核心将其传递给USB驱动,并由USB驱动负责后续的控制。

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  1. struct usb_interface {  
  2.     struct usb_host_interface *altsetting; /* 包含所有可用于该接口的可选设置的接口结构数组。每个 struct usb_host_interface 包含一套端点配置(即struct   
[html] view plaincopyprint?
  1. usb_host_endpoint结构所定义的端点配置。这些接口结构没有特别的顺序。*/  
  2.   
  3.     struct usb_host_interface *cur_altsetting; /* 指向altsetting内部的指针,表示当前激活的接口配置*/  
  4.     unsigned num_altsetting; /* 可选设置的数量*/  
  5.   
  6.     /* If there is an interface association descriptor then it will list the associated interfaces */  
  7.     struct usb_interface_assoc_descriptor *intf_assoc;  
  8.   
  9.     int minor; /* 如果绑定到这个接口的 USB 驱动使用 USB 主设备号, 这个变量包含由 USB 核心分配给接口的次设备号. 这只在一个成功的调用 usb_register_dev后才  
[html] view plaincopyprint?
  1. 有效。*/  
  2.     /*以下的数据在我们写的驱动中基本不用考虑,系统会自动设置*/  
  3.     enum usb_interface_condition condition; /* state of binding */  
  4.     unsigned is_active:1; /* the interface is not suspended */  
  5.     unsigned sysfs_files_created:1; /* the sysfs attributes exist */  
  6.     unsigned ep_devs_created:1; /* endpoint "devices" exist */  
  7.     unsigned unregistering:1; /* unregistration is in progress */  
  8.     unsigned needs_remote_wakeup:1; /* driver requires remote wakeup */  
  9.     unsigned needs_altsetting0:1; /* switch to altsetting 0 is pending */  
  10.     unsigned needs_binding:1; /* needs delayed unbind/rebind */  
  11.     unsigned reset_running:1;  
  12.   
  13.     struct device dev; /* 接口特定的设备信息 */  
  14.     struct device *usb_dev;  
  15.     int pm_usage_cnt; /* usage counter for autosuspend */  
  16.     struct work_struct reset_ws; /* for resets in atomic context */  
  17. };  
  18.   
  19. struct usb_host_interface {  
  20.     struct usb_interface_descriptor desc; //接口描述符  
  21.   
  22.     struct usb_host_endpoint *endpoint; /* 这个接口的所有端点结构体的联合数组*/  
  23.     char *string; /* 接口描述字符串 */  
  24.     unsigned char *extra; /* 额外的描述符 */  
  25.     int extralen;  
  26. };  
端点
USB 通讯的最基本形式是通过一个称为端点的东西。一个USB端点只能向一个方向传输数据(从主机到设备(称为输出端点)或者从设备到主机(称为输入端点))。端点可被看作一个单向的管道。

一个 USB 端点有 4 种不同类型, 分别具有不同的数据传送方式:

控制CONTROL 
控制端点被用来控制对 USB 设备的不同部分访问. 通常用作配置设备、获取设备信息、发送命令到设备或获取设备状态报告。这些端点通常较小。每个 USB
设备都有一个控制端点称为"端点 0", 被 USB 核心用来在插入时配置设备。USB协议保证总有足够的带宽留给控制端点传送数据到设备.


中断INTERRUPT 
每当 USB 主机向设备请求数据时,中断端点以固定的速率传送小量的数据。此为USB 键盘和鼠标的主要的数据传送方法。它还用以传送数据到 USB 设备来控
制设备。通常不用来传送大量数据。USB协议保证总有足够的带宽留给中断端点传送数据到设备.


批量BULK
批量端点用以传送大量数据。这些端点常比中断端点大得多. 它们普遍用于不能有任何数据丢失的数据。USB 协议不保证传输在特定时间范围内完成。如果总线
上没有足够的空间来发送整个BULK包,它被分为多个包进行传输。这些端点普遍用于打印机、USB Mass Storage和USB网络设备上。


等时ISOCHRONOUS 
等时端点也批量传送大量数据, 但是这个数据不被保证能送达。这些端点用在可以处理数据丢失的设备中,并且更多依赖于保持持续的数据流。如音频和视频设
备等等。


控制和批量端点用于异步数据传送,而中断和同步端点是周期性的。这意味着这些端点被设置来在固定的时间连续传送数据,USB 核心为它们保留了相应的带宽。

端点在内核中使用结构 struct usb_host_endpoint 来描述,它所包含的真实端点信息在另一个结构中:struct usb_endpoint_descriptor(端点描述符,包
含所有的USB特定数据)。


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  1. struct usb_host_endpoint {  
  2.     struct usb_endpoint_descriptor desc; //端点描述符  
  3.     struct list_head urb_list; //此端点的URB对列,由USB核心维护  
  4.     void *hcpriv;  
  5.     struct ep_device *ep_dev; /* For sysfs info */  
  6.     unsigned char *extra; /* Extra descriptors */  
  7.     int extralen;  
  8.     int enabled;  
  9. };  
  10.   
  11. /*-------------------------------------------------------------------------*/  
  12.   
  13. /* USB_DT_ENDPOINT: Endpoint descriptor */  
  14. struct usb_endpoint_descriptor {  
  15.     __u8 bLength;  
  16.     __u8 bDescriptorType;  
  17.   
  18.     __u8 bEndpointAddress; /*这个特定端点的 USB 地址,这个8位数据包含端点的方向,结合位掩码 USB_DIR_OUT 和 USB_DIR_IN 使用, 确定这个端点的数据方向。*/  
  19.   
  20.     __u8 bmAttributes; //这是端点的类型,位掩码如下  
  21.   
  22.     __le16 wMaxPacketSize; /*端点可以一次处理的最大字节数。驱动可以发送比这个值大的数据量到端点, 但是当真正传送到设备时,数据会被分为 wMaxPakcetSize 大  
[html] view plaincopyprint?
  1. <SPAN style="LINE-HEIGHT: 1.3; FONT-FAMILY: Verdana, Geneva, Arial, Helvetica, sans-serif; FONT-SIZE: 13px">的块。对于高速设备, 通过使用高位部分几个额外位,可用来支持端点的高带宽模式。*/</SPAN>  
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  1.     __u8 bInterval; //如果端点是中断类型,该值是端点的间隔设置,即端点的中断请求间的间隔时间,以毫秒为单位  
  2.   
  3.     /* NOTE: these two are _only_ in audio endpoints. */  
  4.     /* use USB_DT_ENDPOINT*_SIZE in bLength, not sizeof. */  
  5.     __u8 bRefresh;  
  6.     __u8 bSynchAddress;  
  7. } __attribute__ ((packed));  
  8.   
  9. #define USB_DT_ENDPOINT_SIZE 7  
  10. #define USB_DT_ENDPOINT_AUDIO_SIZE 9 /* Audio extension */  
  11.   
  12. /*  
  13.  * Endpoints  
  14.  */  
  15. #define USB_ENDPOINT_NUMBER_MASK 0x0f /* in bEndpointAddress 端点的 USB 地址掩码 */  
  16. #define USB_ENDPOINT_DIR_MASK 0x80 /* in bEndpointAddress 数据方向掩码 */  
  17. #define USB_DIR_OUT 0 /* to device */  
  18. #define USB_DIR_IN 0x80 /* to host */  
  19.   
  20. #define USB_ENDPOINT_XFERTYPE_MASK 0x03 /* bmAttributes 的位掩码*/  
  21. #define USB_ENDPOINT_XFER_CONTROL 0  
  22. #define USB_ENDPOINT_XFER_ISOC 1  
  23. #define USB_ENDPOINT_XFER_BULK 2  
  24. #define USB_ENDPOINT_XFER_INT 3  
  25. #define USB_ENDPOINT_MAX_ADJUSTABLE 0x80  
  26. /*-------------------------------------------------------------------------*/  

USB 和 sysfs
由于单个 USB 物理设备的复杂性,设备在 sysfs 中的表示也非常复杂。物理 USB 设备(通过 struct usb_device 表示)和单个 USB 接口(由 struct usb_interface 表示)都作为单个设备出现在 sysfs 中,这是因为这两个结构都包含一个 struct device结构。以下内容是我的USB鼠标在 sysfs 中的目录树:

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  1. /sys/devices/pci0000:00/0000:00:1a.0/usb3/3-1 (表示 usb_device 结构)  
  2. .  
  3. |-- 3-1:1.0 (鼠标所对应的usb_interface)  
  4. | |-- 0003:046D:C018.0003  
  5. | | |-- driver -> ../../../../../../../bus/hid/drivers/generic-usb  
  6. | | |-- power  
  7. | | | `-- wakeup  
  8. | | |-- subsystem -> ../../../../../../../bus/hid  
  9. | | `-- uevent  
  10. | |-- bAlternateSetting  
  11. | |-- bInterfaceClass  
  12. | |-- bInterfaceNumber  
  13. | |-- bInterfaceProtocol  
  14. | |-- bInterfaceSubClass  
  15. | |-- bNumEndpoints  
  16. | |-- driver -> ../../../../../../bus/usb/drivers/usbhid  
  17. | |-- ep_81 -> usb_endpoint/usbdev3.4_ep81  
  18. | |-- input  
  19. | | `-- input6  
  20. | | |-- capabilities  
  21. | | | |-- abs  
  22. | | | |-- ev  
  23. | | | |-- ff  
  24. | | | |-- key  
  25. | | | |-- led  
  26. | | | |-- msc  
  27. | | | |-- rel  
  28. | | | |-- snd  
  29. | | | `-- sw  
  30. | | |-- device -> ../../../3-1:1.0  
  31. | | |-- event3  
  32. | | | |-- dev  
  33. | | | |-- device -> ../../input6  
  34. | | | |-- power  
  35. | | | | `-- wakeup  
  36. | | | |-- subsystem -> ../../../../../../../../../class/input  
  37. | | | `-- uevent  
  38. | | |-- id  
  39. | | | |-- bustype  
  40. | | | |-- product  
  41. | | | |-- vendor  
  42. | | | `-- version  
  43. | | |-- modalias  
  44. | | |-- mouse1  
  45. | | | |-- dev  
  46. | | | |-- device -> ../../input6  
  47. | | | |-- power  
  48. | | | | `-- wakeup  
  49. | | | |-- subsystem -> ../../../../../../../../../class/input  
  50. | | | `-- uevent  
  51. | | |-- name  
  52. | | |-- phys  
  53. | | |-- power  
  54. | | | `-- wakeup  
  55. | | |-- subsystem -> ../../../../../../../../class/input  
  56. | | |-- uevent  
  57. | | `-- uniq  
  58. | |-- modalias  
  59. | |-- power  
  60. | | `-- wakeup  
  61. | |-- subsystem -> ../../../../../../bus/usb  
  62. | |-- supports_autosuspend  
  63. | |-- uevent  
  64. | `-- usb_endpoint  
  65. | `-- usbdev3.4_ep81  
  66. | |-- bEndpointAddress  
  67. | |-- bInterval  
  68. | |-- bLength  
  69. | |-- bmAttributes  
  70. | |-- dev  
  71. | |-- device -> ../../../3-1:1.0  
  72. | |-- direction  
  73. | |-- interval  
  74. | |-- power  
  75. | | `-- wakeup  
  76. | |-- subsystem -> ../../../../../../../../class/usb_endpoint  
  77. | |-- type  
  78. | |-- uevent  
  79. | `-- wMaxPacketSize  
  80. |-- authorized  
  81. |-- bConfigurationValue  
  82. |-- bDeviceClass  
  83. |-- bDeviceProtocol  
  84. |-- bDeviceSubClass  
  85. |-- bMaxPacketSize0  
  86. |-- bMaxPower  
  87. |-- bNumConfigurations  
  88. |-- bNumInterfaces  
  89. |-- bcdDevice  
  90. |-- bmAttributes  
  91. |-- busnum  
  92. |-- configuration  
  93. |-- descriptors  
  94. |-- dev  
  95. |-- devnum  
  96. |-- driver -> ../../../../../bus/usb/drivers/usb  
  97. |-- ep_00 -> usb_endpoint/usbdev3.4_ep00  
  98. |-- idProduct  
  99. |-- idVendor  
  100. |-- manufacturer  
  101. |-- maxchild  
  102. |-- power  
  103. | |-- active_duration  
  104. | |-- autosuspend  
  105. | |-- connected_duration  
  106. | |-- level  
  107. | |-- persist  
  108. | `-- wakeup  
  109. |-- product  
  110. |-- quirks  
  111. |-- speed  
  112. |-- subsystem -> ../../../../../bus/usb  
  113. |-- uevent  
  114. |-- urbnum  
  115. |-- usb_endpoint  
  116. | `-- usbdev3.4_ep00  
  117. | |-- bEndpointAddress  
  118. | |-- bInterval  
  119. | |-- bLength  
  120. | |-- bmAttributes  
  121. | |-- dev  
  122. | |-- device -> ../../../3-1  
  123. | |-- direction  
  124. | |-- interval  
  125. | |-- power  
  126. | | `-- wakeup  
  127. | |-- subsystem -> ../../../../../../../class/usb_endpoint  
  128. | |-- type  
  129. | |-- uevent  
  130. | `-- wMaxPacketSize  
  131. `-- version  
  132.   
  133. 38 directories, 91 files  

USB sysfs 设备命名方法是: root_hub-hub_port:config.interface 
    随着USB集线器层次的增加, 集线器端口号被添加到字符串中紧随着链中之前的集线器端口号。对一个 2 层的树, 设备为: root_hub-hub_port-hub_port:config.interface ,以此类推。

 本文出自:http://blog.chinaunix.net/space.php?uid=20543672&do=blog&cuid=1995182

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