usb枚举过程分析之守护进程及其唤醒

        usb热插拔，即usb设备可以实现即插即用，像U盘一样，插到电脑里就可以用，不用时可以直接拔除，这个动作不会影响USB设备使用性能。

        在linx 系统中，usb热插拔由两部分方面共同实现，即内核空间和用户空间，内核由一个守护进程实现，用户空间由udev 程序实现。在内核空间里，有一个专门用于监控usb hub的状态的守护进程，守护进程通过等待队列实现，等待队列平时处理休眠状态，当usb hub上状态变化时(即有usb设备从usb hub上插入或拔出)时，便会去唤醒等待队列，然后去实现usb设备枚举，枚举成功后，向linux系统注册usb设备，并通过kobject_event通知用户空间，有设备插入或拔出，用户空间里有一个专门用于实现动态加载设备节点的程序udev,当它收到内核通知后，能够动态创建usb设备节点，这样便实现了usb的热插拔。

        本文主要从usb设备枚举最基本的几个方面进行讲解，即usb守护进程、守护进程如何唤醒、被谁唤醒。

一.守护进程

        在linux系统中，usb是一个相对比较复杂的子系统，所以usb子系统的初始化过程 也相对复杂，涉及了多个方面：usb总线初始化、usb文件系统初始化、usb hub初始化、usb设备驱动注册等。其中，在usb hub初始化usb_hub_init过程中，它除了向系统注册usb hub驱动处，还创建了一个用于监控usb root hub状态的守护进程hub_thread.

        hub_thread由kthread_run创建并唤醒：

khubd_task = kthread_run(hub_thread, NULL, "khubd");
	if (!IS_ERR(khubd_task))
		return 0;

static int hub_thread(void *__unused)
{
	set_freezable();

	do {
		hub_events();
		wait_event_freezable(khubd_wait,
				!list_empty(&hub_event_list) ||
				kthread_should_stop());
	} while (!kthread_should_stop() || !list_empty(&hub_event_list));

	pr_debug("%s: khubd exiting\n", usbcore_name);
	return 0;
}

        第3行的set_freezable作用是清除当前线程标志flags中的PF_NOFREEZE位，表示当前线程能进入挂起或休眠状态。

        接下来就是一个do...while的死循环，循环结束的条件是当前线程收到stop请求并且hub_event_list列表里为空，守护进程由kthread_run创建并唤醒，当调用kthread_stop时，就会停止该线程；只有收到kthread_stop且hub_event_list列表为空时才会跳出do...while循环。

        在do...while循环中只有两行代码，hub_events为usb系统中最核心部分，这里只要hub_event_list里非空就会运行USB的枚举过程，直到hub_event_list为空，则跳出hub_events,通过wait_event_freezable进入休眠，其中khubd_wait为一个等待队列头，它通过静态方式 定义：

static DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD(khubd_wait);

       wait_event_freezable中第二个参数为等待队列进入休眠条件condition，只有第二个参数为假时才能进入休眠，即hub_event_list列表为空且没有收到stop请求，这里hub_event_list肯定为空，所以只要没有收到kthread_stop请求，就能进入休眠，休眠被唤醒后检测condition时否已经满足条件，即condition为真，hub_event_list不为空或收到stop请求，如果是收到stop请求，则直接退出do...while循环，如果是因为hub_event_list非空，则运行hub_events，实现usb枚举。

二 .守护进程唤醒

         当运行完hub_events后，usb线程就会通过wait_event_freezable进入休眠状态，直到被信号中断或条件满足被唤醒，usb的守护进程由kick_khubd函数进行唤醒，该函数在多个地方被调用：

static void kick_khubd(struct usb_hub *hub)
{
	unsigned long	flags;

	spin_lock_irqsave(&hub_event_lock, flags);
	if (!hub->disconnected && list_empty(&hub->event_list)) {
		list_add_tail(&hub->event_list, &hub_event_list);

		/* Suppress autosuspend until khubd runs */
		usb_autopm_get_interface_no_resume(
				to_usb_interface(hub->intfdev));
		wake_up(&khubd_wait);
	}
	spin_unlock_irqrestore(&hub_event_lock, flags);
}

 第6行，只有在hub连接并且hub中的event_list为初始状态；

         第7行，将hub的event_list添加到hub_event_list列表，用于满足守护进程被唤醒时的条件。

 第10行，自动挂载计数加1，停止hub在进行枚举的时候进入suspend态。

         第12行，通过wake_up唤醒已经休眠的usb守护进程。

         有多个地方可以调用kick_khubd来唤醒usb守护进程：

          hub有两个端口，即control endpoint和interrupt endpoint，其中interrupt endpoint主要用于查询hub 上的port状态变化。在添加控制器驱动时会创建一个root hub，而当root hub的port上检测到有hub插入时，也会创建一个usb hub，在为root hub或普通hub进行配置时，会为它申请的interrupt endpoint申请urb相关资源：

	hub->urb = usb_alloc_urb(0, GFP_KERNEL);
	if (!hub->urb) {
		ret = -ENOMEM;
		goto fail;
	}

	usb_fill_int_urb(hub->urb, hdev, pipe, *hub->buffer, maxp, hub_irq, hub, endpoint->bInterval);

          urb的回调函数为hub_irq:

static void hub_irq(struct urb *urb)
{
	struct usb_hub *hub = urb->context;
	int status = urb->status;
	unsigned i;
	unsigned long bits;

	switch (status) {
	case -ENOENT:		/* synchronous unlink */
	case -ECONNRESET:	/* async unlink */
	case -ESHUTDOWN:	/* hardware going away */
		return;

	default:		/* presumably an error */
		/* Cause a hub reset after 10 consecutive errors */
		dev_dbg (hub->intfdev, "transfer --> %d\n", status);
		if ((++hub->nerrors < 10) || hub->error)
			goto resubmit;
		hub->error = status;
		/* FALL THROUGH */

	/* let khubd handle things */
	case 0:			/* we got data:  port status changed */
		bits = 0;
		for (i = 0; i < urb->actual_length; ++i)
			bits |= ((unsigned long) ((*hub->buffer)[i]))
					<< (i*8);
		hub->event_bits[0] = bits;
		break;
	}

	hub->nerrors = 0;

	/* Something happened, let khubd figure it out */
	kick_khubd(hub);

resubmit:
	if (hub->quiescing)
		return;

	if ((status = usb_submit_urb (hub->urb, GFP_ATOMIC)) != 0
			&& status != -ENODEV && status != -EPERM)
		dev_err (hub->intfdev, "resubmit --> %d\n", status);
}

        在hub_irq中可以看到，如果urb被成功提交给控制器，并成功获取port状态，就会调用kick_khubd唤醒守护进程；

对于ohci类型的root hub，它除了和其它hub一样，可以通过usb_submit_urb提交查询hub状态的请求，它还可以通过中断方式去查询，在用usb_add_hcd添加控制器驱动时，会为控制器申请中断：

retval = usb_hcd_request_irqs(hcd, irqnum, irqflags);
if (retval)
	goto err_request_irq;

         对于ohci类型的控制器，在中断处理程序ohci_irq中，其中有一项就是用来监控root hub上的port状态的：

	if (ints & OHCI_INTR_RHSC) {
		ohci_vdbg(ohci, "rhsc\n");
		ohci->next_statechange = jiffies + STATECHANGE_DELAY;
		ohci_writel(ohci, OHCI_INTR_RD | OHCI_INTR_RHSC, ®s->intrstatus);
		ohci_writel(ohci, OHCI_INTR_RHSC, ®s->intrdisable);
		usb_hcd_poll_rh_status(hcd);
	}

         当port上状态发生变化时，就会调用usb_hcd_poll_rh_status去查询usb root hub port状态，并调用hub中interrupt urb的回调函数hub_irq，最终去唤醒usb守护进程。

        对于root hub，当它使用usb_submit_urb去提交查询hub状态请求时，它是通过启动一个定时器rh_timer去定时查询root hub状态的，如果成功获取hub状态，并通过hub_irq返回，则在hub_irq最后会再次自动调用usb_submit_urb去获取hub状态。如果不能获取或不能成功通过hub_irq返回，则不会再去调用usb_submit_urb；

         对于root hub可以通过主动去调用usb_submit_urb来查询port状态或通过控制器的中断来处理，除此之外，在向系统添加控制器驱动时，会自动创建并注册一个root hub，驱动将会对这个root hub匹配hub驱动并对它进行配置，配置完后它会主动的调用kick_khubd去唤醒守护进程(hub_activate)。

        如果在枚举的时候发现插入的是一个usb hub，则也会为这个hub匹配其驱动，如果成功匹配驱动，便会对hub进行配置，配置成功后也会去调用kick_khubd去唤醒守护进程。