Linux驱动之USB总线驱动程序框架简析

通用串行总线（USB）是主机和外围设备之间的一种链接。USB总线规范有1.1版和2.0版，固然如今已经有了3.0版本。USB1.1支持两种传输速度：低速为1.5Mbps，高速为12Mbps。USB2.0的传输速度能够高达480Mbps。USB2.0向下兼容USB1.1，能够将USB1.1的设备链接到USB2.0控制器上，也能够把USB2.0的设备链接到USB1.1控制器上。S3C2440的USB主机控制器支持USB1.1总线规范。

USB总线的拓扑结构以下图所示：USB主机控制器（USB Host Controller）经过根集线器（Root Hub）与其余USB设备相连。集线器也属于USB设备，经过它能够在一个USB接口上扩展出多个接口。除根集线器外，最多能够层叠5个根集线器。一条USB主线上最多能够外接127个设备，固然包括根集线器和其余集线器。整个结构图是一个星型结构，一条USB总线上全部设备共享一条通往主机的数据通道，同一时刻只能有一个设备与主机通信

经过USB主机控制器来管理外接的USB设备。USB控制器实际上由USB控制器硬件+USB控制器软件组成的。USB主机控制器分为3种：UHCI、OHCI、EHCI。UHCI与OHCI支持USB1.1协议；EHCI支持USB2.0协议。UHCI，它的硬件比较简单，因此软件相对就比较复杂；而OHCI，它的硬件具有更多性能，相反的软件作的事情就比较少。S3C2440的USB主机控制器支持OHCI主机控制器。HCI的英文全称为（Host Controller Interface）。

根据以上知识能够知道其实USB驱动程序能够分为两类：USB主机控制器驱动程序（Host Controller Drivers）、USB设备驱动程序（USB device drivers）。它们在内核中的层次以下图所示

USB主机控制器驱动程序提供访问USB设备的接口，它只是一个数据通道，至于这些数据有什么做用，这要靠上层的USB设备驱动程序来解释。USB设备驱动程序使用下层的驱动提供的数据接口来访问USB设备，不须要关心具体的传输细节。在Linux2.6中，USB主机控制器驱动程序已经帮咱们写好了，下面就简单分析一下USB主机控制器驱动程序。

一、在分析USB主机控制器驱动程序以前先来看几个问题：

当把你的安卓手机经过USB接口接到电脑上的USB口时，会有以下现象

一、右下角弹出“发现andrido phone”。

二、跳出一个对话框，提示你安装驱动程序。

那么问题便来了

问题一、既然尚未“驱动程序”，为什么能知道是“andrido phone”
答1：windows里已经有了USB的总线设备驱动程序，接入USB设备后，是“总线驱动程序”知道你是“andrido phone”，提示你安装的是“设备驱动程序”，USB总线驱动程序负责：识别USB设备，给USB设备找到对应的驱动程序

问题二、USB设备种类很是多，为何一接入电脑就能识别出来？
答2：PC和USB设备都得遵照一些规范。
好比：USB设备接入电脑后,PC会发出“你是什么？”USB设备必须回答“我是XXX”，而且回答的语言必须是中文；
USB总线驱动程序会发出某些命令获取设备信息（描述符），USB设备必须返回“描述符”给PC。

问题三、PC机上接有很是多的USB设备，怎么分辨它们？
答3：接在USB总线上的每一个USB设备都有本身的编号（地址），每个USB设备接入PC时，USB总线驱动程序都会给它分配一个编号，PC机想访问某个USB设备时，要先发出的命令都含有对方的编号（地址）

问题四、USB设备刚接入PC时，尚未编号，那么PC怎么把“分配的编号”告诉它？
答4：新接入的USB设备的默认编号是0，在未分配新的编号前，PC使用0编号和它通信。

问题五、为何一接入USB设备，PC机就能发现它（又没有中断）
答5：USB接口只有4条线：5V、GND、D-、D+。PC的USB口内部D-和D+接有15K的下拉电阻，未接USB设备时为低电平；USB设备的USB口内部，D-或D+接有1.5k的上拉电阻：它一接入就会把PC USB口D-（全速）或D+（高速）拉高，从硬件的角度通知PC有新设备接入。

从以上问答能够看出来USB总线驱动程序的做用能够总结为：（后面会再详细说明）

一、识别设备
二、找到并安装对应的USB设备驱动
三、提供USB读写函数（不了解数据含义）

 

 二、接着再提出一些USB的概念

一、USB是主从结构的
全部的USB传输都是从USB主机这方发起，USB设备没有主动通知USB主机的能力
例子：USB鼠标滑动一下，马上产生数据，可是它没有能力通知PC读数据，只能被动的等待PC机被读

二、USB的传输类型：
a、控制传输：可靠，时间有保证，好比USB设备的识别过程
b、批量传输：可靠，时间没有保证，好比：U盘
c、中断传输（仍是查询方式）：可靠，实时，好比：USB鼠标
d、实时传输：数据不可靠，实时，好比：USB摄像头

三、USB传输的对象：端点(endpoint)
咱们说“读U盘”、“写U盘”能够细化为：把数据写到U盘的端点1，把数据从U盘的端点2里读出数据
除了端点0以外，每个端点只支持一个方向的数据传输
端点0用于控制传输，既能输出也能输入

四、每个端点都只有一个传输类型，传输方向

五、术语里、程序里说的输入（IN）、输出（OUT）“都是”基于USB主机的立场说的。
好比鼠标的数据是从鼠标传入PC机的，对应的端点称为“输入端点”

 

三、经过前面的描述对于USB已经有了大体的了解了，接着经过程序分析来更深刻的了解USB设备的识别过程：

把一个USB鼠标接到开发板上会弹出以下信息：

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核心程序给USB设备分配的地址。查找“USB device using ”关键字，在drivers/usb/core/hub.c的2186行找到了这句话："%s %s speed %sUSB device using %s and address %d\n"。它位于hub_port_init函数下，层层查找能够发现最终是hub_irq函数致使了hub_port_init被调用。hub_irq不是一个真正的中断处理程序，它只是集线器USB设备的数据接收完成后的回调函数，其实drivers/usb/core/hub.c也不过是一个USB设备驱动程序而已。

drivers/usb/core/hub.c程序先放到一边，待会再来分析它。先尝试找一下USB控制器的驱动程序，在drivers\usb\host\Ohci-s3c2410.c找到了这个驱动程序， 它以平台设备驱动程序为框架，drivers\usb\host\Ohci-s3c2410.c属于driver层

static struct platform_driver ohci_hcd_s3c2410_driver = { .probe = ohci_hcd_s3c2410_drv_probe,//一旦匹配devices则被调用
    .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层，位于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 } };

到这里咱们尚未找到插上USB设备后第一个运行的函数，咱们猜想这个函数一定是一个中断，USB控制器接收到数据后将会产生一个中断给MCU，而后MCU再进行处理。如今咱们就是要找到这一个中断函数，在drivers/usb/core/hub.c中找到了usb_add_hcd函数，它位于usb_hcd_s3c2410_probe函数下，这个函数一旦有USB控制器设备匹配就会被调用。

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);//注册OHCI控制器中断
    if (retval != 0) goto err_ioremap; ... ... }

继续往下看usb_add_hcd函数，它位于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) {//中断USB中断
            dev_err(hcd->self.controller, "request interrupt %d failed\n", irqnum); goto err_request_irq; } hcd->irq = irqnum; ... ... } 

在这里看到了调用注册中断函数，而且它的中断处理回调函数为usb_hcd_irq，它一样位于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);//设置中断标志

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

这样，经过usb_hcd_irq 函数的做用，最终将会调用到drivers/usb/core/hub.c下的hub_irq函数。以前说过drivers/usb/core/hub.c其实也是一个USB设备驱动程序，它实际上是一个根集线器驱动程序。这里直接列出匹配USB设备驱动程序的过程。

 

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); //给新设备分配编号（地址）
 hub_port_init //usb 1-1: new full speed USB device using s3c2410-ohci and address 3
                        hub_set_address  //把编号（地址）告诉USB设备
                        usb_get_device_descriptor(udev, 8);//获取设备描述符
 usb_get_device_descriptor(udev, USB_DT_DEVICE_SIZE); usb_new_device(udev); usb_get_configuration(udev);//把全部的描述符都读出来并解析
 usb_parse_configuration device_add//把device放入usb_bus_type的dev链表， //从usb_bus_type的driver链表中取出usb_driver //把usb_interface和usb_driver的id_table比较 //若是能匹配，调用usb_driver的probe函数

 

大体总结一下：

一、当接上USB鼠标后，USB主机控制器检查到D-或D+接口变高知道了有设备接入。

二、USB主机控制器把新分配的编号告诉USB设备，这时候仍是以0地址通信的。

三、USB主机控制器以0地址从USB设备得到设备描述符的前8个字节，从这8个字节能够知道后面全部设备描述符总共的大小

四、知道了剩下设备描述符的大小，就能够将剩余的设备描述符都读出来

五、接着把device放入usb_bus_type的dev链表

六、从usb_bus_type的driver链表中取出usb_driver

七、把usb_interface和usb_driver的id_table比较（对于USB鼠标最终比较的是接口描述符下的bInterfaceClass;bInterfaceSubClass;bInterfaceProtocol;三个信息，中文翻译为设备类型，设备子类型，设备协议）

八、若是能匹配，调用usb_driver的probe函数

 从上面总结能够看出，要写USB设备的驱动程序就须要对usb_driver结构体进行初始。

 

USB各个描述符的关系以下，具体描述符结构将在下一节讲解

 

 以上就是USB总线驱动程序的框架，USB设备是一个很是复杂的东西，这里只是简单的描述，并未深刻理解。目的是为了编写USB设备驱动程序。