usb总线系统介绍

一、特性和运作模式

1. USB标准的四个版本：

（1）USB1.0版本：

          USB总线协议的第一个版本。

（2）USB1.1版本：

          此版本普及了USB总线协议，大多数硬件都采用了该版本的标准。

（3）USB2.0版本：

          此版本提升了USB总线的最大传输数率，由USB1.1的12Mb/s提高到了480Mb/s。

（4）USB3.0版本：

          此版本进一步提高了USB总线的传输速率，并且支持OTG功能。

2. USB标准的四种不同的传输模式：

（1）控制传输（control transfer）

          控制传输涉及传输所需的控制信息，用于设备的初始配置。此类通信必须安全可靠，但只需要较窄的带宽。其

   中通过预定义的令牌传输各种控制命令，USB标准定义了令牌的符号名称和语义，如GET_STATUS、

   SET_INTERFACE等。在内核源代码这些令牌都在<usb.h>中声明为预处理器常数，其前缀为USQ_REQ_，以防止

   名称冲突。标准强制要求了一个命令的最小集合，所有设备都必须支持这些命令。但厂商可以随意添加其他特定于

   设备的命令，厂商提供的驱动程序必须能够理解/使用这些命令。

（2）块传输（bulk transfer）

          块传输按数据包发送数据，可以占据总线的全部带宽。在这种模式下，数据传输的安全性由总线保证。换句话

   说，发送的数据总是原样到达其目的地。扫描仪或大容量存储器之类的设备会使用这种模式。

（3）中断传输（interrupt transfer）

          中断传输类似于块传输，但按一定的周期重复。驱动程序可以自由地定义周期长度（在一定的限度内）。网卡

   和类似设备会优先选择使用这种传输模式。

（4）同步传输（isochronous transfer）

          同步传输具有特殊作用，它是能够使用固定的预定义带宽的唯一方法（尽管不可靠）。在某些方面，这种模式

   可以与网卡的数据报技术类比。在需要确保连续数据流，而能够容忍偶尔数据丢失的情况下，该传输模式是最适用

   的。使用这种模式的一个主要的例子就是网络摄像头，该设备通过USB总线发送视频数据。

二、驱动程序的管理

1. 内核中按两个层次实现USB总线系统

（1）宿主机适配器的驱动程序必须是可用的。该适配器必须为USB链提供链接选项，并承担与终端设备的电子通

   信。适配器自身必须连接到另一个系统总线（当前，有3种不同宿主机适配器类型，分别称之为OHCI、EHCI、

   UHCI，这些涵盖了市售的所有控制器类型）。

（2）设备驱动程序与各个USB设备通信，并将设备的功能导出到内核的其他部分，进而到用户空间。这些驱动程序

   与宿主机控制器通过一种标准化接口交互，因而控制器类型与USB驱动程序是不相关的。任何其他方法显然都是不

   切实际的，因为需要为每个USB设备开发与宿主机控制器相关的驱动程序。

2. USB子系统的四项主要任务

（1）注册和管理现存的设备驱动程序

（2）为USB设备查找适当的驱动程序，以及初始化和配置

（3）在内核内存中表示设备树

（4）与设备通信（交换数据）

3. 数据结构

usb_driver是USB设备驱动程序和内核其余部分（特别是USB层）之间协作的起始点。

<usb.h>

struct usb_driver {
        const char *name;
        int (*probe) (struct usb_interface *intf,
                      const struct usb_device_id *id);
        void (*disconnect) (struct usb_interface *intf);
        int (*unlocked_ioctl) (struct usb_interface *intf, unsigned int code,
                        void *buf);

        int (*suspend) (struct usb_interface *intf, pm_message_t message);
        int (*resume) (struct usb_interface *intf);
        int (*reset_resume)(struct usb_interface *intf);
        int (*pre_reset)(struct usb_interface *intf);
        int (*post_reset)(struct usb_interface *intf);

        const struct usb_device_id *id_table;

        struct usb_dynids dynids;
        struct usbdrv_wrap drvwrap;
        unsigned int no_dynamic_id:1;
        unsigned int supports_autosuspend:1;
        unsigned int soft_unbind:1;
};

name字段用于日常管理。name是驱动程序的名称，在内核中必须是唯一的（通常使用模块的文件名）。

在这里，通常嵌入的driver对象隐藏在另一个结构体中。

<usb.h>

struct usbdrv_wrap {
        struct device_driver driver;
        int for_devices;
};

       上面这个数据结构使得可以区分接口驱动程序（for_devices为0）和设备驱动程序。

函数指针probe和disconnect很重要，二者与id_table共同构成了USB子系统热插拔能力的支柱。在宿主机适配器检测

到新设备插入时，即发起一个探测过程，以查找适当的设备驱动程序。

       内核接下来遍历设备树的所有结点，确定是否有驱动程序与该设备相关。当然，这里预先假定了该设备尚未分配驱动程序。如果已经分配了驱动程序，则跳过该设备。

       内核首先扫描驱动程序支持的所有设备列表，即id_table。在找到设备和表项的匹配之后，则调用特定于驱动程

序的probe函数，执行进一步的检查和初始化工作。如果设备ID和驱动程序提供的列表之间无法匹配，则内核不会调

用probe，而是跳到下一个驱动程序。

ID表由以下结构的几个实例组成，该结构通过几个ID描述了USB设备：

<mod_devicetable.h>

struct usb_device_id {
        /*  针对哪些字段进行匹配  */
        __u16           match_flags;

        /*  用于特定产品的匹配，范围包含边界在内 */
        __u16           idVendor;
        __u16           idProduct;
        __u16           bcdDevice_lo;
        __u16           bcdDevice_hi;

        /*  用于设备类别的匹配  */
        __u8            bDeviceClass;
        __u8            bDeviceSubClass;
        __u8            bDeviceProtocol;

        /*  用于接口类别的匹配 */
        __u8            bInterfaceClass;
        __u8            bInterfaceSubClass;
        __u8            bInterfaceProtocol;

        /* not matched against */
        kernel_ulong_t  driver_info;
};

       match_flags用于指定将该结构的哪些字段与设备数据比较，为此定义了各种预处理器常数。

例如，USB_DEVICE_ID_MATCH_VENDOR表示检查idVendor字段，USB_DEVICE_ID_MATCH_DEV_PROTOCOL

指示内核检查bDeviceProtocol字段。

       不仅在新设备添加到系统时，会建立驱动程序和设备之间的关联。在加载新驱动程序时，也会如此。起始点是

usb_register例程，在注册新USB驱动程序时必须调用它。

三、设备树的表示

下面的数据结构描述了USB设备树以及内核中各种设备的特征。

<usb.h>

struct usb_device {
        int             devnum;                                           /*  在USB总线上的地址  */

        char            devpath[16];                                   /*  用于消息中：/port/port/...  */

        enum usb_device_state   state;                        /*  已配置、未连接，等等  */

        enum usb_device_speed   speed;                    /*  high/full/low speed (or error)  */

        unsigned int toggle[2];                                       /*  每个比特位表示一个终点（0表示接入，1表示断开） */

        struct usb_device *parent;                                 /*  所在的集线器，如果为根结点，则为NULL  */

        struct usb_bus *bus;                                          /*  所在总线  */

        struct usb_host_endpoint ep0;

        struct device dev;                                               /*  到通用设备模型的接口  */

        struct usb_device_descriptor descriptor;           /* 描述符 */

        struct usb_host_bos *bos;

        struct usb_host_config *config;                          /* 所有配置 */

        struct usb_host_config *actconfig;                      /* 当前活动配置  */

        struct usb_host_endpoint *ep_in[16];

        struct usb_host_endpoint *ep_out[16];

        char **rawdescriptors;

        unsigned short bus_mA;

        u8 portnum;                                                         /*  父结点端口号（从1开始）  */

        u8 level;

....
        /* 静态字符串，来自设备 */
        char *product;                                                     /*  iProduct字符串，如果有的话  */

        char *manufacturer;                                            /*  iManufacturer字符串，如果有的话  */

        char *serial;                                                         /*  iSerialNumber字符串，如果有的话  */

        struct list_head filelist;
#ifdef CONFIG_USB_DEVICE_CLASS
        struct device *usb_classdev;
#endif
#ifdef CONFIG_USB_DEVICEFS
        struct dentry *usbfs_dentry;
#endif

        int maxchild;
        struct usb_device **children;
....
};

结构体成员变量说明：

a. devnum保存了该设备的唯一编号（在整个USB树中全局唯一）。

    state和speed表示设备的状态（已连接、已配置，等等）和速度。

b. devpath指定了该设备在USB树的拓扑结构中的位置。

    从根结点移动到保存在各个数组项中的设备，必须遍历所有集线器的端口号。

c. parent指向该设备附接的集线器的数据结构，而bus指向总线对应的数据结构。

    两个字段提供了有关USB链拓扑结构的信息。

d. dev建立了与通用设备模型的关联。

e. descriptor将描述USB设备的特征数据集到一个数据结构中（包括厂商ID、产品ID、设备类别等信息）。

f. actconfig指向设备的当前配置，而congfig列出了所有可能的配置。

g. usbfs_entry用于连接到USB文件系统，通常装载在/proc/bus/usb中，提供从用户空间访问设备的入口。

h. product、manufacturer和serial指向一组ASCII字符串，分别是产品名称、生产商和设备序列号，

    这些都由硬件自身提供。

i. 如果当前设备是集线器，还有两个相关的成员：

    maxchild指定了集线器的端口数目（可以附接的设备数目），children是一个指针数组，包含了指向对应

    usb_device实例的指针。这两个成员定义了USB树的拓扑结构。

总线链表中的各个元素，由以下数据结构表示：

<usb.h>

struct usb_bus {
        struct device *controller;                 /*  主机端硬件控制器 */

        int busnum;                                     /*  总线编号（按注册顺序）*/

        const char *bus_name;                   /*  稳定的id（PCI slot_name等） */

        u8 uses_dma;                                  /*  主机控制器是否使用DMA  */
....
        struct usb_devmap devmap;            /*  设备地址分配位图  */

        struct usb_device *root_hub;           /*  根集线器  */

        struct list_head bus_list;                  /*  用作总线链表的链表元素  */

....
#ifdef CONFIG_USB_DEVICEFS
        struct dentry *usbfs_dentry;             /*  总线在usbfs中的dentry项  */
#endif
};

       该数据结构有两个成员可以唯一地标示该总线。busnum是一个整数，在总线注册时按顺序分配，bus_name是一

个指向短字符串的指针，其中保存了一个唯一的名称。controller是一个指向device实例的指针，对应于实现了该总线

的硬件设备。

       不仅设备会出现在上文提到的USB文件系统中，总线也一样。因而usb_bus还必须包含一个指向dentry实例的指

针，用于简历与该虚拟文件系统的必要的关联。

       数据结构中间有几个重要的成员，这些成员将各个可用的总线彼此连接起来，也连接了其上附接的设备。它们还

提供了一个到底层宿主机控制器的标准化连接，向USB层剩余的部分提供了控制器的抽象：

a. bus_list是一个链表元素，用于将所有usb_bus实例连接到一个链表中管理。

b. root_hub是一个指针，指向（虚拟）根集线器的数据结构，表示总线设备树的根结点。

c. devmap是一个位图，长度（最少）为128个比特位。它用于跟踪哪些USB编号已经分配，哪些仍然是空闲的。

    每个USB设备在插入时都分配了一个唯一的整数编号，标准规定一个总线上最多可附接128个设备。

       为与底层的硬件控制器通信，使用了USB请求块（USB request block, URB）。在与USB设备的所有可能形式的传输中，都使用URB交换数据。

drivers/usb/core/hcd.h

int usb_hcd_submit_urb(struct urb * urb, gfp_t mem_flags);