linux的USB驱动分析

USB（UniversialSerial Bus通用串行总线）它是一种串行总线。在USB的接口协议中，USB被划分为USB主机和USB设备两部分，主机是USB的核心，他管理着每个USB设备，每一次USB数据通信都是必须由USB主机发起。本文也是针对USB主机部分展开介绍。

1、Linux下的USB分层架构

1. USB设备指具体的物理设备，如U盘、鼠标、键盘等。它通过物理USB线或集线器连接到USB主控制器。
2. USB主机控制器（HC）负责USB总线的状态管理、帧产生、链表管理。
3. USB主机控制器驱动（HCD）负责管理主控制器、为各种类型的传输分配带宽、创建和维护各种数据链表并负责根集线器的相关管理，为USB核心层提供相应的接口函数，提供根HUB配置、控制功能，完成4种类型的数据传输。
4. USB核心负责实现一些核心的功能，为USB设备驱动程序提供服务，提供一个用于访问和控制USB硬件的统一接口（urb），而不用去考虑系统当前存在哪种USB主机控制器。
5. USB设备驱动程序通过向USB核心提交urb请求来完成数据传输。其中USBcore和HCD已经由linux内核提供，而作为USB驱动开发者只需要关注如何提交urb请求即可实现USB通信（usb_submit_urb），这也是为什么一些有关USB驱动开发的书籍资料会花费大量篇幅来介绍urb的原因。

2、urb生命周期

URB（USBrequest block）（USB请求块）被用来以一种异步方式往/从特定的USB设备上的特定USB端点发送/接收数据。一个典型urb生命周期如下所示：

1) 由USB设备驱动程序建立；
       struct urb *usb_alloc_urb(int iso_packets, gfp_t mem_flags);

2) 分配给一个特定USB设备的特定端点；
       static inline void usb_fill_XXX_urb(struct urb *urb,

                 struct usb_device *dev,

                 unsigned int pipe,

                 void *transfer_buffer,

                 int buffer_length,

                 usb_complete_t complete_fn,

                 void *context,

                        int interval);

        XXX 为int中断，bulk批量，control控制 等时传输没有初始化函数，只能手动初始化

3) 由USB设备驱动程序递交到USB核心；
       int usb_submit_urb(struct urb *urb, gfp_t mem_flags);
       
4) 由USB核心递交到特定设备的特定USB主控制器驱动程序；

5) 由USB主控制器驱动程序处理，它同设备进行USB传送；

6) 当urb结束之后，USB主控制器驱动程序通知USB设备驱动程序；

3、USB设备组织结构

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：

1. 设备通常具有一个或多个的配置
2. 配置经常具有一个或多个的接口
3. 接口没有或具有一个以上的端点
   
           其中每个USB设备都对应一个PID和VID，USB总线就是通过VIP和PID来匹配相应的USB设备驱动程序。Linux的USB设备驱动程序绑定在接口上，每个USB接口在主机看来都是一个独立的功能设备。端点可以看作是单向的管道，USB最终通过端点来收发数据，端点有4种类型：控制、中断、批量、等时。

4、USB主机控制器及驱动

       HC是USB主机系统的硬件核心，提供USB的物理层功能，HC向上提供了一个接口协议HCI，USB主机控制器驱动程序是此接口的具体实现者。HCD负责将USB事务发送到USB主机控制器芯片，并最终将串行数据发送到电缆上，USB主机控制器完成的所有USB数据传输，都是围绕着HCD所建立的ED链表和TD链表进行。当USB上层驱动发送一个urb请求时会调用ep_add_ed等函数对ED链表和TD链表进行插入、删除等操作。

5、USB核心(内核基本上已经完成)

       USB是一个非常复杂的东西，官方的USB说明文档可达几千页，如果需要看完这些文档并且实现这些功能是一件非常痛苦的事情，幸运的是LINUX内核提供了一个称之为USBcore的子系统来处理大部分的复杂性。USBcore为我们提供了如：USB设备热插拔、USB枚举、集线器管理、设备与驱动的管理、电源管理、urb请求处理、、、等等功能，USBcore使我们编写USB驱动程序变得简单。

6、USB驱动（我们关注的部分)

Linux下有两种USB驱动：USB设备驱动（USB通用驱动）和USB接口驱动。

1、USB设备驱动（USB通用驱动）

       USB设备驱动是针对整个USB设备的，它由Linux内核启动时调用usb_init而注册，所以USB设备驱动是Linux内核自身提供的，不需要我们编写。它的一个用处是当主机有USB设备插入时使用该驱动，从而在“/sys”子系统下生产USB设备目录，在“/dev”目录下生产USB设备文件。我们可以借助“usbfs文件系统”和“usblib.so”库中的接口来操作“/dev”目录下的USB设备文件，通过这个机制我们可以在Linux应用层来编写USB驱动。

2、USB接口驱动

       USB接口驱动才是我们平时需要编写的USB驱动，它是针对USB接口的。一个USB设备可能有多个接口，例如USB扬声器可以包含两个接口：一个USB键盘和一个USB音频流，此时我们需要两个不同的驱动程序来处理一个硬件设备。可以这样简单的理解：一个USB硬件设备可以包含多个逻辑设备（接口），USB接口驱动就是为每个逻辑设备编写驱动。