Linux系統中USB驅動程序的工作流程

本篇內容介紹了“Linux系統中USB驅動程序的工作流程”的有關知識，在實際案例的操作過程中，不少人都會遇到這樣的困境，接下來就讓小編帶領大家學習一下如何處理這些情況吧！希望大家仔細閱讀，能夠學有所成！

1.USB主機
在Linux驅動中，USB驅動處于最底層的是USB主機控制器硬件，在其之上運行的是USB主機控制器驅動，主機控制器之上為USB核心層，再上層為USB設備驅動層（插入主機上的U盤、鼠標、USB轉串口等設備驅動）。

因此，在主機側的層次結構中，要實現的USB驅動包括兩類：USB主機控制器驅動和USB設備驅動，前者控制插入其中的USB設備，后者控制USB設備如何與主機通信。Linux內核USB核心負責USB驅動管理和協議處理的主要工作。主機控制器驅動和設備驅動之間的USB核心非常重要，其功能包括：通過定義一些數據結構、宏和功能函數，向上為設備驅動提供編程接口，向下為USB主機控制器驅動提供編程接口；通過全局變量維護整個系統的USB設備信息；完成設備熱插拔控制、總線數據傳輸控制等。

2.USB設備
Linux內核中USB設備側驅動程序分為3個層次：UDC驅動程序、Gadget API和Gadget驅動程序。UDC驅動程序直接訪問硬件，控制USB設備和主機間的底層通信，向上層提供與硬件相關操作的回調函數。當前Gadget API是UDC驅動程序回調函數的簡單包裝。Gadget驅動程序具體控制USB設備功能的實現，使設備表現出“網絡連接”、“打印機”或“USB Mass Storage”等特性，它使用Gadget API控制UDC實現上述功能。Gadget API把下層的UDC驅動程序和上層的Gadget驅動程序隔離開，使得在Linux系統中編寫USB設備側驅動程序時能夠把功能的實現和底層通信分離。

3.層次
在USB設備組織結構中，從上到下分為設備（device）、配置（config）、接口（interface）和端點（endpoint）四個層次。USB設備程序綁定到接口上。
對于這四個層次的簡單描述如下：
（1）設備通常具有一個或多個的配置
（2）配置經常具有一個或多個的接口
（3）接口沒有或具有一個以上的端點

4.端點
USB通信最基本的形式是通過端點（USB端點分中斷（Interrupt)、批量(Bulk)、等時(ISO)、控制(Control)四種，每種用途不同），USB端點只能往一個方向傳送數據，從主機到設備或者從設備到主機，端點可以看作是單向的管道（pipe）。驅動程序把驅動程序對象注冊到USB子系統中，稍后再使用制造商和設備標識來判斷是否已經安裝了硬件。USB核心使用一個列表（是一個包含制造商ID和設備號ID的一個結構體）來判斷對于一個設備該使用哪一個驅動程序，熱插撥腳本使用它來確定當一個特定的設備插入到系統時該自動執行哪一個驅動程序的Probe。

5. 數據結構
（1）USB設備：對應數據結構struct usb_device
（2）配置：struct usb_host_config （任一時刻，只能有一個配置生效）
（3）USB接口：struct usb_interface （USB 核心將其傳遞給USB設備驅動，并由USB設備驅動負責后續的控制。一個USB接口代表一個基本功能，每個USB驅動控制一個接口。所以一個物理上的硬件設備可能需要 一個以上的驅動程序。）
（4）端點: struct usb_host_endpoint ，它所包含的真實端點信息在另一個結構中：struct usb_endpoint_descriptor（端點描述符，包含所有的USB特定數據）。

6. USB端點分類
USB 通訊的最基本形式是通過一個稱為端點的東西。一個USB端點只能向一個方向傳輸數據（從主機到設備(稱為輸出端點)或者從設備到主機(稱為輸入端點)）。端點可被看作一個單向的管道。
USB 端點有 4 種不同類型, 分別具有不同的數據傳送方式：
（1）控制CONTROL
控制端點被用來控制對USB設備的不同部分訪問. 通常用作配置設備、獲取設備信息、發送命令到設備或獲取設備狀態報告。這些端點通常較小。每個 USB 設備都有一個控制端點稱為"端點 0", 被 USB 核心用來在插入時配置設備。USB協議保證總有足夠的帶寬留給控制端點傳送數據到設備.
（2）中斷INTERRUPT
每當 USB 主機向設備請求數據時，中斷端點以固定的速率傳送小量的數據。此為USB 鍵盤和鼠標的主要的數據傳送方法。它還用以傳送數據到USB設備來控制設備。通常不用來傳送大量數據。USB協議保證總有足夠的帶寬留給中斷端點傳送數據到設備.
（3）批量BULK
批量端點用以傳送大量數據。這些端點通常比中斷端點大得多. 它們普遍用于不能有任何數據丟失的情況。USB 協議不保證傳輸在特定時間范圍內完成。如果總線上沒有足夠的空間來發送整個BULK包，它被分為多個包進行傳輸。這些端點普遍用于打印機、USB Mass Storage和USB網絡設備上。
（4）等時ISOCHRONOUS
等時端點也批量傳送大量數據, 但是這個數據不被保證能送達。這些端點用在可以處理數據丟失的設備中，并且更多依賴于保持持續的數據流。如音頻和視頻設備等等。
控制和批量端點用于異步數據傳送，而中斷和等時端點是周期性的。這意味著這些端點被設置來在固定的時間連續傳送數據，USB 核心為它們保留了相應的帶寬。

7. endpoint

C/C++ Code復制內容到剪貼板

1. struct usb_host_endpoint{   

2.     struct usb_endpoint_descriptor desc;//端點描述符   

3.     struct list_head urb_list;//此端點的URB對列，由USB核心維護   

4.     void *hcpriv;   

5.     struct ep_device *ep_dev; /* For sysfs info */  

6.     unsigned char*extra;/* Extra descriptors */  

7.     int extralen;   

8.     int enabled;   

9. };  

當調用USB設備驅動調用usb_submit_urb提交urb請求時，將調用int usb_hcd_link_urb_to_ep(struct usb_hcd *hcd, struct urb *urb)把此urb增加到urb_list的尾巴上。(hcd: Host Controller Driver,對應數據結構struct usb_hcd )

8. urb
所有USB通訊均為請求-->響應模式，USB設備不會主動向Host發送數據。寫數據：USB設備驅動發送urb請求給USB設備，USB設備不需要回數據。讀數據：USB設備驅動發送urb請求給USB設備，USB設備需要回數據。
USB 設備驅動通過urb和所有的 USB 設備通訊。urb用 struct urb 結構描述（include/linux/usb.h ）。
urb 以一種異步的方式同一個特定USB設備的特定端點發送或接受數據。一個 USB 設備驅動可根據驅動的需要，分配多個 urb 給一個端點或重用單個 urb 給多個不同的端點。設備中的每個端點都處理一個 urb 隊列, 所以多個 urb 可在隊列清空之前被發送到相同的端點。
一個 urb 的典型生命循環如下:
（1）被創建；
（2）被分配給一個特定 USB 設備的特定端點；
（3）被提交給 USB 核心；
（4）被 USB 核心提交給特定設備的特定 USB 主機控制器驅動；
（5）被 USB 主機控制器驅動處理, 并傳送到設備；
（6）以上操作完成后，USB主機控制器驅動通知 USB 設備驅動。
urb 也可被提交它的驅動在任何時間取消；如果設備被移除，urb 可以被USB核心取消。urb 被動態創建并包含一個內部引用計數，使它們可以在最后一個用戶釋放它們時被自動釋放。

8.1 提交 urb
一旦 urb 被正確地創建并初始化, 它就可以提交給 USB 核心以發送出到 USB 設備. 這通過調用函數sb_submit_urb 實現.
int usb_submit_urb(struct urb *urb, gfp_t mem_flags);
參數：
struct urb *urb :指向被提交的 urb 的指針
gfp_t mem_flags :使用傳遞給 kmalloc 調用同樣的參數, 用來告訴 USB 核心如何及時分配內存緩沖
因為函數 usb_submit_urb 可被在任何時候被調用(包括從一個中斷上下文), mem_flags 變量必須正確設置. 根據 usb_submit_urb 被調用的時間,只有 3 個有效值可用:
GFP_ATOMIC
只要滿足以下條件,就應當使用此值:
1) 調用者處于一個 urb 結束處理例程,中斷處理例程,底半部,tasklet或者一個定時器回調函數.
2) 調用者持有自旋鎖或者讀寫鎖. 注意如果正持有一個信號量, 這個值不必要.
3) current->state 不是 TASK_RUNNING. 除非驅動已自己改變 current 狀態,否則狀態應該一直是TASK_RUNNING .
GFP_NOIO
驅動處于塊 I/O 處理過程中. 它還應當用在所有的存儲類型的錯誤處理過程中.
GFP_KERNEL
所有不屬于之前提到的其他情況
在 urb 被成功提交給 USB 核心之后, 直到結束處理例程函數被調用前,都不能訪問 urb 結構的任何成員

8.2 urb結束處理例程
如果 usb_submit_urb 被成功調用, 并把對 urb 的控制權傳遞給 USB 核心, 函數返回 0; 否則返回一個負的錯誤代碼. 如果函數調用成功, 當 urb 被結束的時候結束處理例程會被調用一次.當這個函數被調用時, USB 核心就完成了這個urb, 并將它的控制權返回給設備驅動.
只有3 種結束urb并調用結束處理例程的情況:
(1)urb 被成功發送給設備, 且設備返回正確的確認.如果這樣, urb 中的status變量被設置為 0.
(2)發生錯誤, 錯誤值記錄在 urb 結構中的 status 變量.
(3)urb 從 USB 核心unlink. 這發生在要么當驅動通過調用 usb_unlink_urb 或者 usb_kill_urb告知 USB 核心取消一個已提交的 urb,或者在一個 urb 已經被提交給它時設備從系統中去除.

9. 探測和斷開
在 struct usb_driver 結構中, 有 2 個 USB 核心在適當的時候調用的函數：
(1)當設備插入時, 如果 USB 核心認為這個驅動可以處理(USB核心使用一個列表（是一個包含制造商ID和設備號ID的一個結構體）來判斷對于一個設備該使用哪一個驅動程序)，則調用探測（probe）函數，探測函數檢查傳遞給它的設備信息, 并判斷驅動是否真正合適這個設備.
(2)由于某些原因，設備被移除或驅動不再控制設備時，調用斷開（disconnect）函數，做適當清理.
探測和斷開回調函數都在USB集線器內核線程上下文中被調用, 因此它們休眠是合法的. 為了縮短 USB 探測時間，大部分工作盡可能在設備打開時完成.這是因為 USB 核心是在一個線程中處理 USB 設備的添加和移除, 因此任何慢設備驅動都可能使 USB 設備探測時間變長。

9.1探測函數分析
在探測回調函數中, USB設備驅動應當初始化它可能用來管理 USB 設備的所有本地結構并保存所有需要的設備信息到本地結構, 因為在此時做這些通常更容易.為了和設備通訊，USB 驅動通常要探測設備的端點地址和緩沖大小.     

PS：Linux USB驅動相關細節知識補充
1. 在usb_fill_bulk_urb,usb_fill_int_urb，usb_fill_control_urb都需要指定回調函數，當此URB請求完成時，usb core回調用此函數。
注意：urb 回調函數是在中斷上下文運行, 因此它不應做任何內存分配, 持有任何信號量, 或任何可導致進程休眠的事情. 如果從回調中提交 urb 并需要分配新內存塊, 需使用 GFP_ATOMIC 標志來告知 USB 核心不要休眠.

2. urb封裝函數：
（1）int usb_bulk_msg(struct usb_device *usb_dev,unsigned int pipe,void*data, int len, int*actual_length,int timeout)
功能：創建批量 urb 并發送到指定的設備, 接著在返回之前等待完成.
參數：
  struct usb_device *usb_dev :目標 USB 設備指針
  unsigned int pipe :目標 USB 設備的特定端點. 必須使用特定的宏創建.
  void *data :如果是 OUT 端點, 指向要發送到設備的數據的指針. 如果是 IN 端點, 這是從設備讀取的數據的緩沖區指針.
  int len : data 參數指向的緩沖的長度
  int *actual_length :指向函數放置真實字節數的指針,根據端點方向,這些字節要么是被發送到設備的,要么是從設備中讀取的.
  int timeout :時鐘嘀噠數, 應等待的時間. 如果為 0, 函數永遠等待操作完成.
返回值：成功返回0,actual_length 參數包含被傳送或從設備中讀取的字節數.否則返回負的錯誤值.

（2）int usb_control_msg(struct usb_device*dev, unsigned int pipe, __u8 request,__u8 requesttype, __u16 value, __u16 index,void *data, __u16 size,int timeout)
功能：創建控制 urb 并發送到指定的設備, 接著在返回之前等待完成.
參數：
  struct usb_device *usb_dev :目標 USB 設備指針
  unsigned int pipe :目標 USB 設備的特定端點. 必須使用特定的宏創建.
  __u8 request :控制消息的 USB 請求值.
  __u8 requesttype :控制消息的 USB 請求類型.
  __u16 value :控制消息的 USB 消息值.
  __u16 index :控制消息的 USB 消息索引值.
  void *data :如果是 OUT 端點, 指向要發送到設備的數據的指針. 如果是 IN 端點, 這是從設備讀取的數據的緩沖區指針.
  __u16 size : data 參數指向的緩沖的長度
  int timeout :時鐘嘀噠數, 應等待的時間. 如果為 0, 函數永遠等待操作完成.
返回值：成功返回被傳送到或從設備讀取的字節數.否則返回負的錯誤值.

（3）int usb_interrupt_msg(struct usb_device*usb_dev, unsigned int pipe,void *data,int len, int *actual_length,int timeout)
功能：創建中斷 urb 并發送到指定的設備, 接著在返回之前等待完成.其實就是usb_bulk_msg的包裝,所有參數和usb_bulk_msg一樣使用

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