Linux驱动开发、22-USB子系统
USB子系统
USB（universal serial bus）总线：通用串行总线，是一种外部总线标准，用于规范电脑与外部设备的连接和通讯。
USB1.0：1.5MB/S
USB1.1（full speed）：12MB/S
USB2.0（high speed）：480MB/S
USB3.0（supper sped）：4800MB/S
USB硬件结构(4线)：电源（5V,500mA），地线，D+,D-
工作原理：
USB端口的D＋、D－数据线上有15K左右的“高值”下拉电阻，从而使USB的数据线悬空电平为低。USB设备的D＋（高速High Speed或全速Full Speed）或D－（低速Low Speed）上具有1.5K左右的“低值”上拉电阻，而USB端口的VCC和GND引出线长于数据线，这保证了USB设备先上电后挂线，如此上拉电阻能可靠地将USB端口的相应数据线拉高，这样即可判别USB设备的接入及其速度了。通过改变D+和D- 两根数据线之间的电压差来表示0/1；
拓普结构：
对于每个USB系统来说，都有一个称为主机控制器的设备，该控制器和一个根Hub作为
一个整体。这个根Hub下可以接多级的Hub，每个子Hub又可以接子Hub。每个USB设备
作为一个节点接在不同级别的Hub上。 每条USB总线上最多可以接127个设备。
常见的USB主控制器规格有：
OHCI(Open HCI 开放主机接口)：主要是非PC系统上的USB芯片
UHCI：大多是Intel和Via主板上的USB控制器芯片。他们都是由USB1.1规格的。
EHCI(Enhanced Host Connective Interface 增强主机控制器接口)：由Intel等几个厂商研发，兼容OHCI，UHCI ，遵循USB2.0规范
USB OTG（on the go）控制器：这类控制器在嵌入式微控制器领域备受欢迎，采用otg 控制器，每个通信终端能充当DRD(Dual-Role Device,双重角色设备)。用HNP(Host Negotiation Protocol,主机沟通协议)初始化设备连接后，这样的设备可以根据功能需要在主机模式和设备模式之间任意切换。
HCD主控制器驱动：Host Control Driver
USB设备逻辑结构
在USB设备的逻辑组织中，包含设备、配置、接口和端点4个层次。设备通常有一个或多个配置,配置通常有一个或多个接口,接口有零或多个端点（端点可以比喻成寄存器）。
USB设备中的唯一可寻址的部分是设备端点，端点的作用类似于寄存器。每个端点在设备内部有唯一的端点号，这个端点号是在设备设计时给定的。主机和设备的通信最终都作用于设备上的各个端点。每个端点所支持的操作都是单向的，要么只读，要么只写。
主机能自动设备USB设备的原因：
在每一个USB设备内部，包含了固定格式的数据，通过这些数据，USB主机就可以获取USB设备的类型、生产厂商等信息。这些固定格式的数据，我们就称之为USB描述符。标准的USB设备有5种USB描述符：设备描述符，配置描述符，接口描述符，端点描述符，字符串描述符。
格式查看：《USB specification :Table-9.8》
设备描述符：一个USB设备只有一个设备描述符，设备描述符长度为18个字节。
配置描述符：
接口描述符：
端点描述符
USB数据通讯：
USB的数据通讯首先是基于传输（Transfer）的，传输的类型有：中断传输、批量传输、同步传输、控制传输
一次传输由一个或多个事务(transaction)构成,事务可分为：In事务，Out事务，Setup事务
一个事务由一个或多个包(packet)构成,包可分为：令牌包(setup)、数据包(data)、握手包(ACK)和特殊包
一个包由多个域构成,域可分为：同步域（SYNC），标识域（PID），地址域（ADDR），端点域（ENDP），帧号域（FRAM），数据域（DATA），校验域（CRC）
USB枚举：
USB设备在正常工作以前, 第一件要做的事就是枚举。枚举是让主机认得这个USB设备, 并且为该设备准备资源，建立好主机和设备之间的数据传递通道。
USB 寻址
USB设备里的每个寻址单元称作 端点。每个端点分配的地址称作端点地址。每个端点地址都有与之相关的传输模式。如果一个端点的数据传输模式时批量传输模式，该端点叫做批量端点。地址为0的端点专门用来配置设备。控制管道和它相连，完成设备枚举过程.
USB设备地址和I2C一样，并不占用CPU可寻址的空间，它们的地址空间是私有的，同样采用主从结构..
LINUX USB子系统驱动架构
开发板作为主机，挂载U盘
开发板作为从设备，PC机为主机
URB（USB Request Block,USB请求块）通讯模型：USB数据传输机制使用的核心数据结构
dnw下载线执行流程
驱动程序设计
#include<linux/init.h>
#include<linux/module.h>
#include<linux/types.h>
#include<linux/errno.h>
#include <linux/usb.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/uaccess.h>
#include <linux/slab.h>
#include <linux/mm.h>
#define USB_VID_TQ210 0x04e8
#define USB_PID_TQ210 0X1234
#define DES_BUF_SIZE 512
unsigned char bulk_out_endaddr; /*目标端点地址*/
char *des_buffer;
struct usb_device *usb_dev; /*指向USB设备*/
/***********************************
当USB核心检测到某个设备的属性和某个驱动程序
的ID匹配时（既枚举过程完成），
这个驱动程序的prob函数就被khubd执行。
查看从设备时先让从设备进入下载状态，在PC终端
使用 lsusb 查看
***********************************/
static struct usb_device_id dnw_table [] = {
{ USB_DEVICE(USB_VID_TQ210, USB_PID_TQ210) },
{ },
};
/***********************************
文件操作：
************************************/
static int dnw_open(struct inode *inode, struct file *file)
{
/*分配内核空间*/
des_buffer = kmalloc(DES_BUF_SIZE,GFP_KERNEL);
return 0;
}
static ssize_t dnw_write(struct file *file, const __user char *buffer,
size_t count, loff_t *ppos)
{
size_t toWrite=0,totalshift=0;
int actual_length;
unsigned long ret = 0;
while(count > 0)
{
/*获取用户传输下来的数据*/
/*获取较小值*/
toWrite = min(count,(size_t)DES_BUF_SIZE);
ret = copy_from_user(des_buffer,buffer+totalshift,toWrite);
/*将数据提交给USB主控制器*/
/*
usb_dev:指向需要操作的usb设备
管道操作:
usb_sndbulkpipe(usb_dev,bulk_out_endaddr)：建立usb设备与端点的批量传输管道
1)管道包括：端点地址
数据传输方向（IN/OUT）
数据传输模式:控制，中断，批量，等时
1）函数格式：usb_[rcv|snd][ctrl|int|bulk|isoc]pipe
actual_length：实际传输的字节数存放在这里
3*HZ：等待超时
*/
usb_bulk_msg(usb_dev,usb_sndbulkpipe(usb_dev,bulk_out_endaddr),des_buffer,toWrite,&actual_length,3*HZ);
count -= toWrite;
totalshift+=toWrite;
}
return 0;
}
static int dnw_release(struct inode *inode, struct file *file)
{
kfree(des_buffer);
return 0;
}
/* file operations needed when we register this driver */
static const struct file_operations dnw_fops = {
.owner = THIS_MODULE,
.write = dnw_write,
.open = dnw_open,
.release = dnw_release,
};
struct usb_class_driver dnw_class = {
.name = "dnw%d",
.fops = &dnw_fops,
.minor_base = 100,
};
/****************************************************************************
设备捕获函数需要做的工作分析：
1、USB是围绕URB数据传输机制展开的，所以开始应该初始化URB，URB使用步骤：
1）分配内存：usb_alloc_urb():这个和网络设备差不多
2）初始化：usb_fill_[control|int|bulk]_urb
3）异步提交：usb_sumit_urb()：这项工作在读写操作函数中进行
2、同步提交URB接口函数：既使用一下函数就能完成1中三步的工作,这个函数适合在读写操作中进行
1）usb_[control|int|bulk]_msg()
3、批量传输属于字符设备操作，既要初始化字符操作函数集
1）usb_register_dev():该函数能将字符设备和USB总线关联在一起
综合以上分析：
prob只需做的就是第三步；关联字符设备
其他地方需要用到那种数据结构在来这里初始化就好了
****************************************************************************/
static int dnw_probe(struct usb_interface *intf,const struct usb_device_id *id)
{
int ret = -ENOMEM;
int i=0;
printk("Device prob!\n");
/* 接口设置描述 ,主机对每个接口的描述*/
struct usb_host_interface *interface;
struct usb_endpoint_descriptor *endpoint;
/*获取USB设备，在初始化URB中使用*/
usb_dev = usb_get_dev(interface_to_usbdev(intf));
/*获取接口*/
interface = intf->cur_altsetting;
/*获取目标端点*/
for(i=0;i<interface->desc.bNumEndpoints;i++)
{
endpoint = &interface->endpoint[i].desc;
if(usb_endpoint_is_bulk_out(endpoint))
{
bulk_out_endaddr = endpoint->bEndpointAddress;
break;
}
}
/*把字符设备和usb设备关联起来*/
if((ret = usb_register_dev(intf,&dnw_class)) < 0)
{
printk("usb_register_dev err!\n");
}
return ret;
}
void dnw_disconnect (struct usb_interface *intf)
{
usb_deregister_dev(intf,&dnw_class);
}
static struct usb_driver dnw_driver = {
.name = "dnw",
.probe = dnw_probe,
.disconnect = dnw_disconnect,
.id_table = dnw_table,
};
/***********************************
USB 同样是一种总线协议，所以初始化一般是向
其总线注册
************************************/
static int dnw_init(void)
{
/*1、向usb核心注册USB设备*/
int result;
if ((result = usb_register(&dnw_driver))) {
err("usb_register failed. Error number %d",result);
return result;
}
return 0;
}
static void dnw_exit(void)
{
/* deregister this driver from the USB subsystem */
usb_deregister(&dnw_driver);
}
MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("Hntea");
module_init(dnw_init);
module_exit(dnw_exit);