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USB接口在硬件上总共有四根线组成VCC、D+、D-、GND,通过计算D+和D-的差值来确定数据。USB设备在传输速率上可以分为低速(1.5Mbps)、全速(12Mbps),高速(480Mbps)。在USB主机控制器端D+和D-都接有一个下拉电阻,在USB设备端的D+或D-接了一个上拉电阻,USB设备插入后USB主机控制器的D+或D-会被拉高,这样USB主机控制器就能发现有设备接入。USB设备是主从式的设备,主机是在host端的主机控制器,从机就是如鼠标、键盘,hub之类的设备。从设备采用拓扑模式连接在USB主机控制器上。
当USB设备插入时,USB主机控制器的D+或D-被拉高,在主机控制器端会产生一个中断发现一个新设备并通过端点0给新设备分配一个地址和获取USB设备的设备描述符,解析设备描述符并通过device_add()将其添加到usb_bus_type链表中,并且匹配链表上的driver程序,匹配成功后调用driver的probe函数,这部分过程类似Platform平台总线驱动。
下面图例所示是一个鼠标插入开发板时的打印信息。通过这个信息我们可以知道这是一个低速设备,并且分配的设备地址是2,通过获取设备的描述符,主机控制器还了解到这是一个USB鼠标。
USB设备驱动通过端点和设备进行通讯,端点只能单向传输数据,有点类似pipe,对于端点的输入和输出方向是以USB主机控制器的角度来确定的。USB协议为适配不同的设备设计了四种不同的传输方式或者说端点类型:
控制:控制端点主要是用于控制设备,比如获取设备描述符,或者配置设备。端点0就是一个控制端点。
中断:中断端点是以一个固定的时间轮询设备,来传输少量数据。鼠标,键盘等就是使用中断端点进行传输。
批量:批量传输使用的设备一般使用于大量数据的传输,虽然时间长短没有保证,但会保证数据传输完成。U盘,打印机使用此类端点。
等时:等时端点的特点是实时但数据有可能会丢失。摄像头和音响等设备使用等时端点实现。
对于一个USB设备来说,一个设备可以拥有一个以上的配置,配置可以拥有一个以上的接口,接口上有无端点都可以。这边说的配置,接口,端点都有一个对应的结构体来描述。
配置可以认为是一种模式,就比如说我们的笔记本电脑可以有性能模式,省电模式等。驱动程序可以为同一个USB设备实现不同的配置。
- struct usb_config_descriptor {
- __u8 bLength; /* 描述符长度 */
- __u8 bDescriptorType; /* 配置类型 */
-
- __le16 wTotalLength;
- __u8 bNumInterfaces; /* 接口数量 */
- __u8 bConfigurationValue;
- __u8 iConfiguration;
- __u8 bmAttributes;
- __u8 bMaxPower;
- }
接口可以认为是USB设备的功能,一个USB设备拥有几种功能,在驱动端就要为其实现几种接口,USB设备的每一个接口都有一个独立的驱动程序实现。就比如一个音响可以录音和播放,在驱动端就要为音响实现两个接口,也就是需要实现两个驱动程序来对应音响这个设备。
- struct usb_interface_descriptor {
- __u8 bLength; /* 接口描述符长度 */
- __u8 bDescriptorType; /* 接口类型 */
-
- __u8 bInterfaceNumber; /* 接口数量 */
- __u8 bAlternateSetting;
- __u8 bNumEndpoints; /* 端点数量 */
- __u8 bInterfaceClass; /* 接口的类 */
- __u8 bInterfaceSubClass; /* 接口的子类 */
- __u8 bInterfaceProtocol; /* 设备类型 */
- __u8 iInterface;
- }
一个接口可以拥有多个端点或没有端点。例如一个接口可以同时拥有中断和等时端点。
- struct usb_endpoint_descriptor {
- __u8 bLength; /* 端点描述符长度 */
- __u8 bDescriptorType; /* 端点类型 */
-
- __u8 bEndpointAddress; /* 端点地址 */
- __u8 bmAttributes; /* 端点属性 */
- __le16 wMaxPacketSize;
- __u8 bInterval; /* 轮询时间间隔,单位是ms */
-
- /* NOTE: these two are _only_ in audio endpoints. */
- /* use USB_DT_ENDPOINT*_SIZE in bLength, not sizeof. */
- __u8 bRefresh;
- __u8 bSynchAddress;
- }
urb是设备驱动程序和设备之间用一种特定的端点进行通信的一种方式,驱动程序把urb提交给USB主机控制器,USB主机控制器根据这个urb对USB设备进行读或写操作,结束之后USB主机控制器会通知USB设备驱动程序。
urb的创建:
- /*
- * iso_packets:等时端点包的数量,对于非等时端点给0即可
- * mem_flags:用于kmalloc() 。通常用GFP_KERNEL,需要进行原子操作时使用GFP_ATOMIC
- */
- struct urb *usb_alloc_urb(int iso_packets, gfp_t mem_flags);
-
- /*
- * urb的销毁
- */
- void usb_free_urb(struct urb *urb);
urb初始化:
中断,批量和控制urb拥有初始化函数,等时urb没有初始化函数需要手动初始化。这个函数只是初始化部分成员,有些成员还是需要自己手动初始化。下面说明中断urb初始化函数参数。
- static inline void usb_fill_int_urb (struct urb *urb, // usb_alloc_urb()申请的urb
- struct usb_device *dev, // 可以通过interface_to_usbdev()得到
- unsigned int pipe, // 用来传输的特定端点通过宏usb_rcvintpipe()获得
- void *transfer_buffer, // 用于存放读取或写入数据的缓冲区,由函数usb_buffer_alloc()申请;
- int buffer_length, // 缓冲区长度
- usb_complete_t complete_fn,// urb传输结束后的回调函数
- void *context, // 私有数据
- int interval // 轮询间隔,单位 1/8ms
- );
-
- /*
- * dev: struct usb_device
- * endpoint: usb_endpoint_descriptor的成员bEndpointAddress
- */
- usb_rcvintpipe(dev,endpoint);
urb回调函数只有在一下三种情况下会被调用:
a、urb的输入或输出操作执行成功。
b、urb处理过程输错
c、调用了取消函数usb_unlink_urb()或usb_kill_urb()
提交urb
urb初始化完成后需要提交给USB主机控制器驱动
- /*
- * mem_flags只有三个只可以用:GFP_KERNEL,GFP_ATOMIC,GFP_NOIO
- * GFP_ATOMIC:中断处理函数,定时器回调。持有读写锁或自旋锁。
- * GFP_NOIO:位于I/O块路径时
- * GFP_KERNEL: 其他情况
- */
- int usb_submit_urb(struct urb *urb, gfp_t mem_flags);
文件路径:/drivers/hid/usbhid/usbmouse.c
让我们从init函数开始分析一个完整的基础usb设备驱动程序:
- #include <linux/kernel.h>
- #include <linux/slab.h>
- #include <linux/module.h>
- #include <linux/init.h>
- #include <linux/usb/input.h>
- #include <linux/hid.h>
-
- /*
- * Version Information
- */
- #define DRIVER_VERSION "v1.6"
- #define DRIVER_AUTHOR "Vojtech Pavlik <vojtech@ucw.cz>"
- #define DRIVER_DESC "USB HID Boot Protocol mouse driver"
- #define DRIVER_LICENSE "GPL"
-
- MODULE_AUTHOR(DRIVER_AUTHOR);
- MODULE_DESCRIPTION(DRIVER_DESC);
- MODULE_LICENSE(DRIVER_LICENSE);
-
- struct usb_mouse {
- char name[128];
- char phys[64];
- struct usb_device *usbdev;
- struct input_dev *dev;
- struct urb *irq;
-
- signed char *data;
- dma_addr_t data_dma;
- };
-
- /* urb结束之后调用 */
- static void usb_mouse_irq(struct urb *urb)
- {
- struct usb_mouse *mouse = urb->context;
- signed char *data = mouse->data; /* 填充进urb的缓冲区 */
- struct input_dev *dev = mouse->dev;
- int status;
-
- /* 判断urb的结束状态 */
- switch (urb->status) {
- case 0: /* success */
- break;
- case -ECONNRESET: /* unlink */
- case -ENOENT:
- case -ESHUTDOWN:
- return;
- /* -EPIPE: should clear the halt */
- default: /* error */
- goto resubmit;
- }
-
- /* 上报事件 */
- input_report_key(dev, BTN_LEFT, data[0] & 0x01);
- input_report_key(dev, BTN_RIGHT, data[0] & 0x02);
- input_report_key(dev, BTN_MIDDLE, data[0] & 0x04);
- input_report_key(dev, BTN_SIDE, data[0] & 0x08);
- input_report_key(dev, BTN_EXTRA, data[0] & 0x10);
-
- input_report_rel(dev, REL_X, data[1]);
- input_report_rel(dev, REL_Y, data[2]);
- input_report_rel(dev, REL_WHEEL, data[3]);
-
- input_sync(dev);
- resubmit:
- /* 重新提交urb,这是一个中断处理函数,因此要是用原子操作 */
- status = usb_submit_urb (urb, GFP_ATOMIC);
- if (status)
- err ("can't resubmit intr, %s-%s/input0, status %d",
- mouse->usbdev->bus->bus_name,
- mouse->usbdev->devpath, status);
- }
-
- /* 在客户端调用open()函数时会调用到 */
- static int usb_mouse_open(struct input_dev *dev)
- {
- struct usb_mouse *mouse = input_get_drvdata(dev);
-
- mouse->irq->dev = mouse->usbdev;
-
- /* 提交urb */
- if (usb_submit_urb(mouse->irq, GFP_KERNEL))
- return -EIO;
-
- return 0;
- }
-
- /* 在客户端调用close()函数时会调用到 */
- static void usb_mouse_close(struct input_dev *dev)
- {
- struct usb_mouse *mouse = input_get_drvdata(dev);
-
- /* 取消urb */
- usb_kill_urb(mouse->irq);
- }
-
- /* 和插入usb设备的描述符信息匹配成功后调用 */
- static int usb_mouse_probe(struct usb_interface *intf, const struct usb_device_id *id)
- {
- struct usb_device *dev = interface_to_usbdev(intf);
- struct usb_host_interface *interface;
- struct usb_endpoint_descriptor *endpoint;
- struct usb_mouse *mouse;
- struct input_dev *input_dev;
- int pipe, maxp;
- int error = -ENOMEM;
-
- interface = intf->cur_altsetting;
-
- /* 检查端点数量,鼠标只有一个中断输入端点 */
- if (interface->desc.bNumEndpoints != 1)
- return -ENODEV;
-
- endpoint = &interface->endpoint[0].desc;
-
- /* 检查端点是否为中断输入端点 */
- if (!usb_endpoint_is_int_in(endpoint))
- return -ENODEV;
- /* 得到一个中断端点pipe */
- pipe = usb_rcvintpipe(dev, endpoint->bEndpointAddress);
-
- /* 获取消息缓冲区的最大值 */
- maxp = usb_maxpacket(dev, pipe, usb_pipeout(pipe));
-
- mouse = kzalloc(sizeof(struct usb_mouse), GFP_KERNEL);
- input_dev = input_allocate_device(); /* 申请一个input_dev */
- if (!mouse || !input_dev)
- goto fail1;
-
- /* 申请数据缓冲区 */
- mouse->data = usb_buffer_alloc(dev, 8, GFP_ATOMIC, &mouse->data_dma);
- if (!mouse->data)
- goto fail1;
-
- /* 申请urb */
- mouse->irq = usb_alloc_urb(0, GFP_KERNEL);
- if (!mouse->irq)
- goto fail2;
-
- mouse->usbdev = dev;
- mouse->dev = input_dev;
-
- if (dev->manufacturer)
- strlcpy(mouse->name, dev->manufacturer, sizeof(mouse->name));
-
- if (dev->product) {
- if (dev->manufacturer)
- strlcat(mouse->name, " ", sizeof(mouse->name));
- strlcat(mouse->name, dev->product, sizeof(mouse->name));
- }
-
- if (!strlen(mouse->name))
- snprintf(mouse->name, sizeof(mouse->name),
- "USB HIDBP Mouse %04x:%04x",
- le16_to_cpu(dev->descriptor.idVendor),
- le16_to_cpu(dev->descriptor.idProduct));
-
- usb_make_path(dev, mouse->phys, sizeof(mouse->phys));
- strlcat(mouse->phys, "/input0", sizeof(mouse->phys));
-
- input_dev->name = mouse->name;
- input_dev->phys = mouse->phys;
-
- /* 根据插入设备的信息初始化input_dev的id表用于匹配输入handler */
- usb_to_input_id(dev, &input_dev->id);
- input_dev->dev.parent = &intf->dev;
-
- /* 设置输入事件和各个事件值 */
- input_dev->evbit[0] = BIT(EV_KEY) | BIT(EV_REL);
- input_dev->keybit[LONG(BTN_MOUSE)] = BIT(BTN_LEFT) | BIT(BTN_RIGHT) | BIT(BTN_MIDDLE);
- input_dev->relbit[0] = BIT(REL_X) | BIT(REL_Y);
- input_dev->keybit[LONG(BTN_MOUSE)] |= BIT(BTN_SIDE) | BIT(BTN_EXTRA);
- input_dev->relbit[0] |= BIT(REL_WHEEL);
-
- /* 设置input_dev的私有数据 */
- input_set_drvdata(input_dev, mouse);
-
- input_dev->open = usb_mouse_open;
- input_dev->close = usb_mouse_close;
-
- /* 初始化urb */
- usb_fill_int_urb(mouse->irq, dev, pipe, mouse->data,
- (maxp > 8 ? 8 : maxp),
- usb_mouse_irq, mouse, endpoint->bInterval);
- mouse->irq->transfer_dma = mouse->data_dma;
- mouse->irq->transfer_flags |= URB_NO_TRANSFER_DMA_MAP;
-
- error = input_register_device(mouse->dev);
- if (error)
- goto fail3;
-
- /* 设置usb驱动的私有数据 */
- usb_set_intfdata(intf, mouse);
- return 0;
-
- fail3:
- usb_free_urb(mouse->irq);
- fail2:
- usb_buffer_free(dev, 8, mouse->data, mouse->data_dma);
- fail1:
- input_free_device(input_dev);
- kfree(mouse);
- return error;
- }
-
- /* usb设备拔出时调用,进行清理工作 */
- static void usb_mouse_disconnect(struct usb_interface *intf)
- {
- struct usb_mouse *mouse = usb_get_intfdata (intf);
-
- usb_set_intfdata(intf, NULL);
- if (mouse) {
- usb_kill_urb(mouse->irq);
- input_unregister_device(mouse->dev);
- usb_free_urb(mouse->irq);
- usb_buffer_free(interface_to_usbdev(intf), 8, mouse->data, mouse->data_dma);
- kfree(mouse);
- }
- }
-
- /* 定义一个id_table用于在usb设备插入时和插入设备的设备描述信息进行匹配 */
- static struct usb_device_id usb_mouse_id_table [] = {
- /* 将宏USB_INTERFACE_INFO()展开
- * .match_flags (USB_DEVICE_ID_MATCH_INT_CLASS | USB_DEVICE_ID_MATCH_INT_SUBCLASS | USB_DEVICE_ID_MATCH_INT_PROTOCOL),
- * .bInterfaceClass = USB_INTERFACE_CLASS_HID,
- * .bInterfaceSubClass = USB_INTERFACE_SUBCLASS_BOOT,
- * .bInterfaceProtocol = USB_INTERFACE_PROTOCOL_MOUSE
- */
- { USB_INTERFACE_INFO(USB_INTERFACE_CLASS_HID, USB_INTERFACE_SUBCLASS_BOOT,
- USB_INTERFACE_PROTOCOL_MOUSE) },
- { } /* Terminating entry */
- };
-
- /* id_table的内容加入到外设队列并告知内核设备支持热插拔 */
- MODULE_DEVICE_TABLE (usb, usb_mouse_id_table);
-
- static struct usb_driver usb_mouse_driver = {
- .name = "usbmouse",
- .probe = usb_mouse_probe, /* usb设备插入时,id_table信息匹配成功则调用 */
- .disconnect = usb_mouse_disconnect, /* usb设备拔出时调用 */
- .id_table = usb_mouse_id_table, /* id_table,用于匹配设备描述符 */
- };
-
- static int __init usb_mouse_init(void)
- {
- int retval = usb_register(&usb_mouse_driver); /* 注册usb设备驱动,不申请设备号 */
- if (retval == 0)
- info(DRIVER_VERSION ":" DRIVER_DESC);
- return retval;
- }
-
- static void __exit usb_mouse_exit(void)
- {
- usb_deregister(&usb_mouse_driver); /* 卸载usb驱动 */
- }
-
- module_init(usb_mouse_init);
- module_exit(usb_mouse_exit);

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