Linux下USB驱动基础

作者：Sam （甄峰） [email protected]

USB是主机和外围设备之间的一种连接。USB最初是为了替代各种各样的不同的接口的低速总线而设计的。（例如：串口，并口，键盘连接等）。它以单一类型的总线连接各种不同类型的设备。

USB拓扑机构不是以总线方式的。而是一棵由几个点对点的连接构成的树。连接线由4根电缆组成（电源，地线，两个数据线）

USB主控制器（HostController）负责询问每一个USB设备是否有数据需要发送。也就是说：一个USB设备在没有主控制器要求的情况下是不能发送数据的。

USB协议规范定义了一套任何特定类型的设备都可以遵循的标准。如果一个设备遵循该设备，就不需要一个特殊的驱动程序。这些不同的特定类型称之为类（class）.例如：存储设备，键盘，鼠标，游戏杆，网络设备等。对于不符合这些类的其他设备。则需要对此设备编写特定driver.



USB设备构成：
Linux Kernel提供了USB Core来处理大部分USB的复杂性。写USB驱动，Sam觉得就是把USB硬件设备和USBCore之间给沟通起来。

USB协议把一个硬件USB设备用以下各个定义勾画出来。

概念一. USB端点（endpoint）
USBendpoint只能往一个方向传送数据。从主机到设备（输出Endpoint）或从设备到主机（输入Endpoint）。一个Endpoint可以看作一个单向的管道。

有四种类型Endpoint，他们的区别在于传送数据的方式：
控制Endpoint：
用来控制对USB设备不同部分的访问。他们通常用于配置设备，获取设备信息，发送命令到设备，或者获取设备的状态报告。每个USB设备都有一个名为：Endpoint0的控制Endpoint。USBCore使用该Endpoint0在插入时进行设备的配置。

中断Endpoint：
每当USB主控制器要求设备传输数据时，中断Endpoint就以一个固定的速率来传送少量的数据。
USB Keyboard和Mouse通常使用中断Endpoint。
请注意，中断Endpoint和中断不同，它还是无法主动向USB主控制器发送数据。二是需要等待USB主控制器轮询。

批量Endpoint：
BulkEndpoint用来传输大批量的数据。USB规范不保证数据能在规定时间内传输完成。但保证数据完整性。通常打印机，存储设备和网络设备使用之。

等时Endpoint：
用来传输大批量数据，但数据是否能够到达，怎无法保证。
通常数据收集设备会使用之。

Sam觉得，其实一个设备有多少个以及什么类型的Endpoint。其实是硬件设备在制造阶段已经定好的。 USBCore只是去读取了这些信息，并把这些信息传送给USB driver.

Linux Kernel中使用struct usb_host_endpoint来描述USB Endpoint。但其实其中的structusb_endpoint_descriptor才是真正的描述Endpoint的。
struct usb_endpoint_descriptor
{
__u8 bLength;
__u8 bDescriptorType;
__u8 bEndpointAddress;
__u8 bmAttributes;
__le16 wMaxPacketSize;
__u8 bInterval;
__u8 bRefresh;
__u8 bSynchAddress;
} __attribute__ ((packed));

bEndpointAddress：
//此EndpointUSB地址。它还包含了Endpoint方向信息。通过掩码USB_DIR_OUT和USB_DIR_IN判断是输出Endpoint还是输入Endpoint。

bmAttributes;
EndpointType，也可以通过掩码：USB_ENDPOINT_XFER_ISOC等判断此Endpoint是中断，等时，控制还是批量Endpoint。

wMaxPacketSize;
该Endpoint一次可以处理的最大字节数。虽然driver可以传送更大的数据，但实际传送时，还是会分割成这个大小。

bInterval：
如果是中断Endpoint，它就是Endpoint的间隔设置。也就是说，中断请求间隔时间。以毫秒为单位。


概念二：接口（Interface）
数个Endpoint被捆绑为一个USB Interface。
一个 USBInterface只对应一个逻辑连接，例如鼠标，键盘或者音频流。一个USB设备可以对应多个Interface。例如Sam见过的鼠标键盘一起的设备，就有2个Interface，一个键盘，一个鼠标。
另外，有些USB扬声器有2个Interface，一个键盘，一个音频流。

注意：每个USB drver只处理一个USB Interface。所以，一个设备也许会对应多个driver.
所以，USBCore在处理USB设备插入时，会针对不同的Interface唤醒它认为合适的driver。并以参数的形式把interface传递给drver.

Linux Kernel使用struct usb_interface来描述USBInterface。但Interface参数照例是其中的usb_interface_descriptor。

struct usb_interface
{
struct usb_host_interface *altsetting;
struct usb_host_interface *cur_altsetting;
unsigned num_altsetting;
struct usb_interface_assoc_descriptor *intf_assoc;
int minor;
enum usb_interface_condition condition;
unsigned is_active:1;
unsigned needs_remote_wakeup:1;
struct device dev;
struct device *usb_dev;
int pm_usage_cnt;
};

struct usb_host_interface *altsetting;
Interface结构体数组，包含了所有可能用于该Interface的可选配置。
struct usb_host_interface *cur_altsetting;
可选配置数
unsigned num_altsetting;
指向altsetting的指针。当前的Active 设置。

 

usb_interface_descriptor:Interface描述符

structusb_interface_descriptor {
 __u8 bLength;

//描述符的字节长度。协议里规定，每个描述符必须以一个字节打头来表明描述符的长度。接口描述符的bLength应该是9

 __u8 bDescriptorType;

//描述符的类型。各种描述符的类型都在ch9.h， * Descriptor types ... USB 2.0spec table 9.5

 

 __u8 bInterfaceNumber;

//接口号。每个配置可以包含多个接口，这个值就是它们的索引值

 __u8 bAlternateSetting; 

 __u8 bNumEndpoints;

//接口拥有的端点数量。这里并不包括端点0

 __u8 bInterfaceClass;  

//此Interface所属Class。例如：HID=0x03

 __u8 bInterfaceSubClass;

//此值基于bInterfaceClass之上。表明在某个Interfaceclass中的子class。例如：HID中有：USB_INTERFACE_SUBCLASS_BOOT

 __u8  bInterfaceProtocol;

//同上，HID中就有USB_INTERFACE_PROTOCOL_MOUSE

 __u8  iInterface;//字符串描述符，放一些描述性厂商信息。

} __attribute__ ((packed)); //__attribute__，意思就是告诉编译器，这个结构的元素都是1字节对齐的，不要再添加填充位了。

 

概念三：配置
一个或多个USBInterface被捆绑为配置。一个USB设备可以有多个配置，并且可以在多个配置之间切换。
配置：struct usb_host_config
USB设备：usb_device.

综上所述：
1个USB设备有一个或多个配置
1个配置有一个或多个Interface
一个Interface有一个或多个设置
Interface没有或有多个Endpoint



ＵＳＢ　ＵＲＢ
Linux Kernel中的USB代码通过 urb(USB请求快)与所有的USB设备通信。
urb被用来以异步方式从特定的USB设备的特定USB Endpoint上接收数据，或往特定的USB设备的特定USBEndpoint上发送数据。

urb是由USB driver创建的。并分配给特定USB设备的特定Endpoint。并由USB driver提交给USBCore。

一：创建urb.
urb不能在driver中静态的定义。因为这样会破坏USB Core对urb的计数机制。所以必须使用：
usb_alloc_urb函数来创建。
struct urb *usb_alloc_urb(int iso_packets, gfp_tmem_flags)
第一个参数是：等时数据包的数量。
第二个参数是：memory申请类型。

二：初始化urb：
针对中断Endpoint的urb：usb_fill_int_urb()
针对批量Endpoint的urb: usb_fill_bulk_urb()
针对控制Endpoint的urb: usb_fill_control_urb()
针对等时Endpoint的urb: 需要手动初始化。


三：提交urb:
usb_smbmit_urb();
提交urb到USB Core

 

 

 

 

 

 

 

 

 

记录：Sam在使用开发板时，发现Kernel启动时如果Bluetooth USBDongle插入着。则很可能无法检测到此Dongle。所以Sam在 drivers/usb/core/hub.c中的hub_port_connect_change(struct usb_hub*hub, int port1,u16 portstatus, u16portchange)加入一句printk();来验证启动时Kernel是否正常识别了此USB设备。