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第十三章——USB驱动程序

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介绍

USB总线只提供通道，而不关心数据传输格式。USB设备有申请一定带宽的能力，但是由Host轮询时才发送数据，一个USB总线中只有一个Host。USB定义了几种专用设备的标准，只要设备满足这些标准就可以实现免驱，这些设备标准包括存储设备、键盘、鼠标、游戏杆、网络设备和调制解调器。USB驱动可以分为两类，一类是USB上位机驱动（USB device driver），一类是USB下位机驱动（USB gadget drivers）。USB驱动框架中，由USB核心（usb core）层实现核心功能，核心层工作在USB控制器之上，位于内核各大功能模块之下。

USB协议中，有这么几个概念

  • 配置

    配置是USB接口的集合，一个USB设备可以有多个配置，但一个时刻只能激活一个配置

  • 接口

    一个配置可以有多个接口，接口是端点的集合。一个接口就是一种功能，一种功能对应一个驱动程序。一个接口通过设定不同参数，可以有多个不同的“设置”，每个设置有独立的编号

  • 端点

    一种类似于单向管道的数据通路，一个接口可以没有、有一个、有多个端点

端点还可以按照下表细分为不同的类型

端点类型 传输模式 使用场景
控制端点 异步传输 管理面端点，每个USB设备“端点0”承担该功能
中断端点 周期传输 数据传输端点的一种，一般用于传输少量数据
批量端点 异步传输 数据传输端点的一种，一般用于传输大量数据，保证数据到达
等时端点 周期传输 数据传输端点地一种，用于可接受丢包的场景

内核数据结构

端点

struct usb_host_endpoint结构体用于管理USB端点

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struct usb_host_endpoint {
	struct usb_endpoint_descriptor		desc;
	struct usb_ss_ep_comp_descriptor	ss_ep_comp;
	struct usb_ssp_isoc_ep_comp_descriptor	ssp_isoc_ep_comp;
	struct list_head		urb_list;
	void				*hcpriv;
	struct ep_device		*ep_dev;	/* For sysfs info */

	unsigned char *extra;   /* Extra descriptors */
	int extralen;
	int enabled;
	int streams;
};

其内部成员struct usb_endpoint_descriptor包含真实的端点信息。

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struct usb_endpoint_descriptor {
	__u8  bLength;
	__u8  bDescriptorType;

	__u8  bEndpointAddress; // 端点地USB地址，还包含端点数据方向信息，可以结合USB_DIR_OUT和USB_DIR_IN来使用
	__u8  bmAttributes;     /* 端点类型，可以结合USB_ENDPOINT_XFERTYPE_MASK确定端点是下面哪一种类型
                                                    #define USB_ENDPOINT_XFER_CONTROL	0
                                                    #define USB_ENDPOINT_XFER_ISOC		1
                                                    #define USB_ENDPOINT_XFER_BULK		2
                                                    #define USB_ENDPOINT_XFER_INT		3 */
	__le16 wMaxPacketSize; // 端点一次可以处理的最大字节数，超过该值的数据块将被切割
	__u8  bInterval;       // 中断类型端点的中断请求时间间隔，毫秒单位

	/* NOTE:  these two are _only_ in audio endpoints. */
	/* use USB_DT_ENDPOINT*_SIZE in bLength, not sizeof. */
	__u8  bRefresh;
	__u8  bSynchAddress;
} __attribute__ ((packed));

接口

内核使用struct usb_interface结构体来描述USB接口。USB核心会传递该结构体给驱动程序，之后由驱动负责处理该结构体

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struct usb_interface {
	struct usb_host_interface *altsetting; // 一个包含所有可用于该接口的“设置”的数组
	struct usb_host_interface *cur_altsetting;	/* the currently active alternate setting */
	unsigned num_altsetting;	/* number of alternate settings */

	/* If there is an interface association descriptor then it will list
	 * the associated interfaces */
	struct usb_interface_assoc_descriptor *intf_assoc;
	int minor;			/* minor number this interface is bound to */
    
    // 下面这些字段驱动程序一般无需关心
	enum usb_interface_condition condition;		/* state of binding */
	unsigned sysfs_files_created:1;	/* the sysfs attributes exist */
	unsigned ep_devs_created:1;	/* endpoint "devices" exist */
	unsigned unregistering:1;	/* unregistration is in progress */
	unsigned needs_remote_wakeup:1;	/* driver requires remote wakeup */
	unsigned needs_altsetting0:1;	/* switch to altsetting 0 is pending */
	unsigned needs_binding:1;	/* needs delayed unbind/rebind */
	unsigned resetting_device:1;	/* true: bandwidth alloc after reset */
	unsigned authorized:1;		/* used for interface authorization */

	struct device dev;		/* interface specific device info */
	struct device *usb_dev;
	atomic_t pm_usage_cnt;		/* usage counter for autosuspend */
	struct work_struct reset_ws;	/* for resets in atomic context */
};

配置和USB_DEVICE

内核使用struct usb_host_confg表示配置，使用struct usb_device表示整个USB设备，可以在 include/linux/usb.h找到关于这两个结构体的描述。这两个结构体一般不需要USB驱动程序直接读写，驱动经常做的是将struct usb_host_confg转换为struct usb_interface（可以用interface_to_usbdev实现）。

urb

urb是USB驱动和USB设备进行通信的基本数据块。urb对应到端点，urb可以在多个端点间复用。urb完整生命周期经历如下流程：urb由驱动创建–>驱动提交给usb core–>usb core会将其交给USB主控制器驱动–>主控制器传输urb–>USB主控制器驱动通知usb设备驱动传输完成。根据端点类型不同，urb的类型也有不同的创建函数。在填装urb的时候需要添加回调函数，以获知urb发送完成消息。

实现USB驱动程序

USB驱动的工作逻辑和PCI驱动类似，先注册驱动自身，然后根据设备的制造商ID和设备ID判断是否成功匹配驱动。USB设备的ID信息在内核层面用struct usb_device_id表示。流程类似，填好表，构造好成员函数，最后向内核注册驱动。

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static struct usb_device_id xxx_table [ ] = {
 { USB_DEVICE(USB_SKEL_VENDOR_ID, USB_SKEL_PRODUCT_ID) },
 { } /* Terminating entry */
};
MODULE_DEVICE_TABLE (usb, skel_table); // 向内核热插拔机制注册设备信息

static struct usb_driver xxx_driver = {
     .owner = THIS_MODULE,
     .name = "xxx",
     .id_table = xxx_table,
     .probe = xxx_probe,
     .disconnect = xxx_disconnect,
};
static int __init usb_xxx_init(void)
{
     int result;
     /* register this driver with the USB subsystem */
     result = usb_register(&xxx_driver);
     if (result)
     	err("usb_register failed. Error number %d", result);
     return result;
}

static void __exit usb_xxx_exit(void)
{
     /* deregister this driver with the USB subsystem */
     usb_deregister(&xxx_driver);
}

不使用urb的USB传输

当驱动仅仅是需要传输一些简单的USB数据的时候，使用urb传输数据会显得比较麻烦。内核提供不使用urb的数据传输接口，如下

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// 数据传输接口
int usb_bulk_msg(
    struct usb_device *usb_dev,  // 目标USB设备指针
    unsigned int pipe,           // endpoint "pipe" to send the message to
    void *data,                  // pointer to the data to send
    int len,                     // length in bytes of the data to send
    int *actual_length,          // 指针入参式返回值，说明传输了的实际大小
    int timeout                  // jiffies为单位的超时时长，0值则一直等待数据传输完成
);
// 和usb_bulk_msg类似，不过是用于发送控制信息的
int usb_control_msg(
    struct usb_device *dev,      // pointer to the usb device to send the message to
    unsigned int pipe,           // endpoint "pipe" to send the message to
    __u8 request,                // USB message request value
    __u8 requesttype,            // USB message request type value
    __u16 value,                 // USB message value
    __u16 index,                 // USB message index value
    void *data,                  // pointer to the data to send
    __u16 size,                  // length in bytes of the data to send
    int timeout                  // jiffies为单位的超时时长，0值则一直等待数据传输完成
);