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浅谈Linux USB设备驱动_linux usb驱动

linux usb驱动

1、USB基础介绍

1-1、USB硬件接口介绍

        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。

1-2、USB接入时的探测过程

        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。

2、USB设备驱动框架

        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。

2-1、配置描述符

        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。

  1. struct usb_config_descriptor {
  2.     __u8  bLength; /* 描述符长度 */
  3.     __u8  bDescriptorType; /* 配置类型 */
  4.     __le16 wTotalLength;
  5.     __u8  bNumInterfaces; /* 接口数量 */
  6.     __u8  bConfigurationValue;
  7.     __u8  iConfiguration;
  8.     __u8  bmAttributes;
  9.     __u8  bMaxPower;
  10. }

2-2、接口描述符

        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。

  1. struct usb_interface_descriptor {
  2.     __u8  bLength; /* 接口描述符长度 */
  3.     __u8  bDescriptorType; /* 接口类型 */
  4.     __u8  bInterfaceNumber; /* 接口数量 */
  5.     __u8  bAlternateSetting;
  6.     __u8  bNumEndpoints; /* 端点数量 */
  7.     __u8  bInterfaceClass; /* 接口的类 */
  8.     __u8  bInterfaceSubClass; /* 接口的子类 */
  9.     __u8  bInterfaceProtocol; /* 设备类型 */
  10.     __u8  iInterface;
  11. }

2-3、端点描述符

        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。

  1. struct usb_endpoint_descriptor {
  2. __u8 bLength; /* 端点描述符长度 */
  3. __u8 bDescriptorType; /* 端点类型 */
  4. __u8 bEndpointAddress; /* 端点地址 */
  5. __u8 bmAttributes; /* 端点属性 */
  6. __le16 wMaxPacketSize;
  7. __u8 bInterval; /* 轮询时间间隔,单位是ms */
  8. /* NOTE: these two are _only_ in audio endpoints. */
  9. /* use USB_DT_ENDPOINT*_SIZE in bLength, not sizeof. */
  10. __u8 bRefresh;
  11. __u8 bSynchAddress;
  12. }

2-4、通信方式urb

        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:

  1. /*
  2. * iso_packets:等时端点包的数量,对于非等时端点给0即可
  3. * mem_flags:用于kmalloc() 。通常用GFP_KERNEL,需要进行原子操作时使用GFP_ATOMIC
  4. */
  5. struct urb *usb_alloc_urb(int iso_packets, gfp_t mem_flags);
  6. /*
  7. * urb的销毁
  8. */
  9. 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。

  1. static inline void usb_fill_int_urb (struct urb *urb, // usb_alloc_urb()申请的urb
  2.                      struct usb_device *dev, // 可以通过interface_to_usbdev()得到
  3.                      unsigned int pipe, // 用来传输的特定端点通过宏usb_rcvintpipe()获得
  4.                      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;
  5.                      int buffer_length, // 缓冲区长度
  6.                      usb_complete_t complete_fn,// urb传输结束后的回调函数
  7.                      void *context, // 私有数据
  8.                      int interval // 轮询间隔,单位 1/8ms
  9. );
  10. /*
  11. * dev: struct usb_device
  12. * endpoint: usb_endpoint_descriptor的成员bEndpointAddress
  13. */
  14. 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

  1. /*
  2. * mem_flags只有三个只可以用:GFP_KERNEL,GFP_ATOMIC,GFP_NOIO
  3. * GFP_ATOMIC:中断处理函数,定时器回调。持有读写锁或自旋锁。
  4. * GFP_NOIO:位于I/O块路径时
  5. * GFP_KERNEL: 其他情况
  6. */
  7. int usb_submit_urb(struct urb *urb, gfp_t mem_flags);

3、实例:USB鼠标驱动

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:

  1. #include <linux/kernel.h>
  2. #include <linux/slab.h>
  3. #include <linux/module.h>
  4. #include <linux/init.h>
  5. #include <linux/usb/input.h>
  6. #include <linux/hid.h>
  7. /*
  8. * Version Information
  9. */
  10. #define DRIVER_VERSION "v1.6"
  11. #define DRIVER_AUTHOR "Vojtech Pavlik <vojtech@ucw.cz>"
  12. #define DRIVER_DESC "USB HID Boot Protocol mouse driver"
  13. #define DRIVER_LICENSE "GPL"
  14. MODULE_AUTHOR(DRIVER_AUTHOR);
  15. MODULE_DESCRIPTION(DRIVER_DESC);
  16. MODULE_LICENSE(DRIVER_LICENSE);
  17. struct usb_mouse {
  18. char name[128];
  19. char phys[64];
  20. struct usb_device *usbdev;
  21. struct input_dev *dev;
  22. struct urb *irq;
  23. signed char *data;
  24. dma_addr_t data_dma;
  25. };
  26. /* urb结束之后调用 */
  27. static void usb_mouse_irq(struct urb *urb)
  28. {
  29. struct usb_mouse *mouse = urb->context;
  30. signed char *data = mouse->data; /* 填充进urb的缓冲区 */
  31. struct input_dev *dev = mouse->dev;
  32. int status;
  33. /* 判断urb的结束状态 */
  34. switch (urb->status) {
  35. case 0: /* success */
  36. break;
  37. case -ECONNRESET: /* unlink */
  38. case -ENOENT:
  39. case -ESHUTDOWN:
  40. return;
  41. /* -EPIPE: should clear the halt */
  42. default: /* error */
  43. goto resubmit;
  44. }
  45. /* 上报事件 */
  46. input_report_key(dev, BTN_LEFT, data[0] & 0x01);
  47. input_report_key(dev, BTN_RIGHT, data[0] & 0x02);
  48. input_report_key(dev, BTN_MIDDLE, data[0] & 0x04);
  49. input_report_key(dev, BTN_SIDE, data[0] & 0x08);
  50. input_report_key(dev, BTN_EXTRA, data[0] & 0x10);
  51. input_report_rel(dev, REL_X, data[1]);
  52. input_report_rel(dev, REL_Y, data[2]);
  53. input_report_rel(dev, REL_WHEEL, data[3]);
  54. input_sync(dev);
  55. resubmit:
  56. /* 重新提交urb,这是一个中断处理函数,因此要是用原子操作 */
  57. status = usb_submit_urb (urb, GFP_ATOMIC);
  58. if (status)
  59. err ("can't resubmit intr, %s-%s/input0, status %d",
  60. mouse->usbdev->bus->bus_name,
  61. mouse->usbdev->devpath, status);
  62. }
  63. /* 在客户端调用open()函数时会调用到 */
  64. static int usb_mouse_open(struct input_dev *dev)
  65. {
  66. struct usb_mouse *mouse = input_get_drvdata(dev);
  67. mouse->irq->dev = mouse->usbdev;
  68. /* 提交urb */
  69. if (usb_submit_urb(mouse->irq, GFP_KERNEL))
  70. return -EIO;
  71. return 0;
  72. }
  73. /* 在客户端调用close()函数时会调用到 */
  74. static void usb_mouse_close(struct input_dev *dev)
  75. {
  76. struct usb_mouse *mouse = input_get_drvdata(dev);
  77. /* 取消urb */
  78. usb_kill_urb(mouse->irq);
  79. }
  80. /* 和插入usb设备的描述符信息匹配成功后调用 */
  81. static int usb_mouse_probe(struct usb_interface *intf, const struct usb_device_id *id)
  82. {
  83. struct usb_device *dev = interface_to_usbdev(intf);
  84. struct usb_host_interface *interface;
  85. struct usb_endpoint_descriptor *endpoint;
  86. struct usb_mouse *mouse;
  87. struct input_dev *input_dev;
  88. int pipe, maxp;
  89. int error = -ENOMEM;
  90. interface = intf->cur_altsetting;
  91. /* 检查端点数量,鼠标只有一个中断输入端点 */
  92. if (interface->desc.bNumEndpoints != 1)
  93. return -ENODEV;
  94. endpoint = &interface->endpoint[0].desc;
  95. /* 检查端点是否为中断输入端点 */
  96. if (!usb_endpoint_is_int_in(endpoint))
  97. return -ENODEV;
  98. /* 得到一个中断端点pipe */
  99. pipe = usb_rcvintpipe(dev, endpoint->bEndpointAddress);
  100. /* 获取消息缓冲区的最大值 */
  101. maxp = usb_maxpacket(dev, pipe, usb_pipeout(pipe));
  102. mouse = kzalloc(sizeof(struct usb_mouse), GFP_KERNEL);
  103. input_dev = input_allocate_device(); /* 申请一个input_dev */
  104. if (!mouse || !input_dev)
  105. goto fail1;
  106. /* 申请数据缓冲区 */
  107. mouse->data = usb_buffer_alloc(dev, 8, GFP_ATOMIC, &mouse->data_dma);
  108. if (!mouse->data)
  109. goto fail1;
  110. /* 申请urb */
  111. mouse->irq = usb_alloc_urb(0, GFP_KERNEL);
  112. if (!mouse->irq)
  113. goto fail2;
  114. mouse->usbdev = dev;
  115. mouse->dev = input_dev;
  116. if (dev->manufacturer)
  117. strlcpy(mouse->name, dev->manufacturer, sizeof(mouse->name));
  118. if (dev->product) {
  119. if (dev->manufacturer)
  120. strlcat(mouse->name, " ", sizeof(mouse->name));
  121. strlcat(mouse->name, dev->product, sizeof(mouse->name));
  122. }
  123. if (!strlen(mouse->name))
  124. snprintf(mouse->name, sizeof(mouse->name),
  125. "USB HIDBP Mouse %04x:%04x",
  126. le16_to_cpu(dev->descriptor.idVendor),
  127. le16_to_cpu(dev->descriptor.idProduct));
  128. usb_make_path(dev, mouse->phys, sizeof(mouse->phys));
  129. strlcat(mouse->phys, "/input0", sizeof(mouse->phys));
  130. input_dev->name = mouse->name;
  131. input_dev->phys = mouse->phys;
  132. /* 根据插入设备的信息初始化input_dev的id表用于匹配输入handler */
  133. usb_to_input_id(dev, &input_dev->id);
  134. input_dev->dev.parent = &intf->dev;
  135. /* 设置输入事件和各个事件值 */
  136. input_dev->evbit[0] = BIT(EV_KEY) | BIT(EV_REL);
  137. input_dev->keybit[LONG(BTN_MOUSE)] = BIT(BTN_LEFT) | BIT(BTN_RIGHT) | BIT(BTN_MIDDLE);
  138. input_dev->relbit[0] = BIT(REL_X) | BIT(REL_Y);
  139. input_dev->keybit[LONG(BTN_MOUSE)] |= BIT(BTN_SIDE) | BIT(BTN_EXTRA);
  140. input_dev->relbit[0] |= BIT(REL_WHEEL);
  141. /* 设置input_dev的私有数据 */
  142. input_set_drvdata(input_dev, mouse);
  143. input_dev->open = usb_mouse_open;
  144. input_dev->close = usb_mouse_close;
  145. /* 初始化urb */
  146. usb_fill_int_urb(mouse->irq, dev, pipe, mouse->data,
  147. (maxp > 8 ? 8 : maxp),
  148. usb_mouse_irq, mouse, endpoint->bInterval);
  149. mouse->irq->transfer_dma = mouse->data_dma;
  150. mouse->irq->transfer_flags |= URB_NO_TRANSFER_DMA_MAP;
  151. error = input_register_device(mouse->dev);
  152. if (error)
  153. goto fail3;
  154. /* 设置usb驱动的私有数据 */
  155. usb_set_intfdata(intf, mouse);
  156. return 0;
  157. fail3:
  158. usb_free_urb(mouse->irq);
  159. fail2:
  160. usb_buffer_free(dev, 8, mouse->data, mouse->data_dma);
  161. fail1:
  162. input_free_device(input_dev);
  163. kfree(mouse);
  164. return error;
  165. }
  166. /* usb设备拔出时调用,进行清理工作 */
  167. static void usb_mouse_disconnect(struct usb_interface *intf)
  168. {
  169. struct usb_mouse *mouse = usb_get_intfdata (intf);
  170. usb_set_intfdata(intf, NULL);
  171. if (mouse) {
  172. usb_kill_urb(mouse->irq);
  173. input_unregister_device(mouse->dev);
  174. usb_free_urb(mouse->irq);
  175. usb_buffer_free(interface_to_usbdev(intf), 8, mouse->data, mouse->data_dma);
  176. kfree(mouse);
  177. }
  178. }
  179. /* 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 */
  180. static struct usb_device_id usb_mouse_id_table [] = {
  181. /* 将宏USB_INTERFACE_INFO()展开
  182. * .match_flags (USB_DEVICE_ID_MATCH_INT_CLASS | USB_DEVICE_ID_MATCH_INT_SUBCLASS | USB_DEVICE_ID_MATCH_INT_PROTOCOL),
  183. * .bInterfaceClass = USB_INTERFACE_CLASS_HID,
  184. * .bInterfaceSubClass = USB_INTERFACE_SUBCLASS_BOOT,
  185. * .bInterfaceProtocol = USB_INTERFACE_PROTOCOL_MOUSE
  186. */
  187. { USB_INTERFACE_INFO(USB_INTERFACE_CLASS_HID, USB_INTERFACE_SUBCLASS_BOOT,
  188. USB_INTERFACE_PROTOCOL_MOUSE) },
  189. { } /* Terminating entry */
  190. };
  191. /* id_table的内容加入到外设队列并告知内核设备支持热插拔 */
  192. MODULE_DEVICE_TABLE (usb, usb_mouse_id_table);
  193. static struct usb_driver usb_mouse_driver = {
  194. .name = "usbmouse",
  195. .probe = usb_mouse_probe, /* usb设备插入时,id_table信息匹配成功则调用 */
  196. .disconnect = usb_mouse_disconnect, /* usb设备拔出时调用 */
  197. .id_table = usb_mouse_id_table, /* id_table,用于匹配设备描述符 */
  198. };
  199. static int __init usb_mouse_init(void)
  200. {
  201. int retval = usb_register(&usb_mouse_driver); /* 注册usb设备驱动,不申请设备号 */
  202. if (retval == 0)
  203. info(DRIVER_VERSION ":" DRIVER_DESC);
  204. return retval;
  205. }
  206. static void __exit usb_mouse_exit(void)
  207. {
  208. usb_deregister(&usb_mouse_driver); /* 卸载usb驱动 */
  209. }
  210. module_init(usb_mouse_init);
  211. module_exit(usb_mouse_exit);

恭喜获得知识点+1

若有讲解不妥之处烦请在评论区指正!

如果有收获那就一键三连鼓励一下吧!

 

 

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