1. 基本概念

1.1 簡介

USB是英文"Universal Serial Bus"的縮寫，意為"通用串行總線"。USB最初是為了替代許多不同的低速總線(包括并行、串行和鍵盤連接配接)而設計的,它以單一類型的總線連接配接各種不同的類型的裝置。USB的發展已經超越了這些低速的連接配接方式,它現在可以支援幾乎所有可以連接配接到PC上的裝置。最新的USB規範修訂了理論上高達480Mbps的高速連接配接。

USB的驅動可以分為3類：SoC的USB控制器的驅動，主機端USB裝置的驅動，裝置上的USB Gadget驅動，通常，對于USB這種标準化的裝置，核心已經将主機控制器的驅動編寫好了，裝置上的Gadget驅動通常隻運作固件程式而不是基于Linux, 是以驅動工程師的主要工作就是編寫主機端的USB裝置驅動。

1.2 熱拔插

當一個USB裝置插入PC機，PC機怎麼知道有裝置插入? 如下圖所示，USB接口隻有4條線：VCC（5V），GND，D-，D+。 PC機的USB插孔的D-和D+資料線均連接配接15K歐姆的下拉電阻。而USB裝置端的D-或D+資料線連接配接1.5K歐姆的上拉電阻。當裝置插入PC機的時候，會将PC機的D-或D+端的電壓拉高，當PC機在D-或D+端檢測到高電平時，就知道有裝置插入了。如果是PC機D-端被拉高，接入的則是USB低速裝置；如果是PC機D+端被拉高，接入的則是USB全速或高速裝置，具體是全速裝置還是高速裝置，會由PC機和USB裝置發包握手确定。

十四、Linux驅動之USB驅動分析1. 基本概念2. USB驅動分析

USB低速裝置硬體接線圖 USB全速（高速）裝置硬體接線圖

1.3 傳輸類型

控制傳輸(control)：是每一個USB裝置必須支援的，通常用來擷取裝置描述符、設定裝置的狀态等等。一個USB裝置從插入到最後的拔出這個過程一定會産生控制傳輸(即便這個USB裝置不能被這個系統支援)。

中斷傳輸(interrupt)：支援中斷傳輸的典型裝置有USB滑鼠、 USB鍵盤等等。中斷傳輸不是說我的裝置真正發出一個中斷，然後主機會來讀取資料。它其實是一種輪詢的方式來完成資料的通信。USB裝置會在裝置驅動程式中設定一個參數叫做interval，它是endpoint的一個成員。 interval是間隔時間的意思，表示我這個裝置希望主機多長時間來輪詢自己,隻要這個值确定了之後，我主機就會周期性的來檢視有沒有資料需要處理。

批量傳輸(bulk)：支援批量傳輸最典型的裝置就是U盤，它進行大數量的資料傳輸，能夠保證資料的準确性，但是時間不是固定的。

實時傳輸(isochronous)：USB攝像頭就是實時傳輸裝置的典型代表，它同樣進行大數量的資料傳輸，資料的準确性無法保證，但是對傳輸延遲非常敏感，也就是說對實時性要求比較高。

1.4 USB裝置邏輯結構

為了更好地描述USB裝置的特征，USB提出了裝置架構的概念。從這個角度來看，可以認為USB裝置是由一些配置、接口和端點組成（裝置通常有一個或多個配置，配置通常有一個或多個接口，接口通常有一個或多個設定，接口有零或多個端點）。其中，配置和接口是對USB裝置功能的抽象，實際的資料傳輸由端點來完成。在使用USB裝置前，必須指明其采用的配置和接口。這個步驟一般是在裝置接入主機時裝置進行枚舉時完成的。

USB裝置與主機會有若幹個通信的”端點”，每個端點都有個端點号，除了端點0外，每一個端點隻能工作在一種傳輸類型下。傳輸方向都是基于USB主機的立場說的，比如:滑鼠的資料是從滑鼠傳到PC機，對應的端點稱為"中斷輸入端點"。其中端點0是裝置的預設控制端點，既能輸出也能輸入，用于USB裝置的識别過程。

1.5 USB協定

USB2.0協定中文版

2. USB驅動分析

2.1 USB驅動程式架構

USB驅動程式架構圖如下：

十四、Linux驅動之USB驅動分析1. 基本概念2. USB驅動分析

USB總線驅動程式的作用：

1. 識别USB裝置

1.1 配置設定位址

1.2 并告訴USB裝置(set address)

1.3 發出指令擷取描述符（描述符的資訊可以在include\linux\usb\Ch9.h看到 (Ch9是指USB規範的第九章)）

2. 查找并安裝對應的裝置驅動程式

3. 提供USB讀寫函數

USB總線上的所有通信都是由主機發起的，是以本質上，USB都是采用輪詢的方式進行的。USB總線會使用輪詢的方式不斷檢測總線上是否有裝置接入，如果有裝置接入相應的D+D-就會有電平變化。然後總線就會按照USB規定的協定與裝置進行通信，裝置将存儲在自身的裝置資訊依次交給主機，主機将這些資訊組織起來。上報到核心，核心中的USB子系統再去比對相應的驅動。

2.2 USB驅動分析

當我們開發闆啟動核心（核心配置好了usbmouse相關驅動）後，開發闆接上一個USB滑鼠，序列槽端輸入如下資訊：

十四、Linux驅動之USB驅動分析1. 基本概念2. USB驅動分析

從第一行輸出資訊的“USB device using”定位到核心的drivers/usb/core/hub.c檔案的hub_port_init()函數中

dev_info (&udev->dev,"%s %s speed %sUSB device using %s and address %d\n",
		  (udev->config) ? "reset" : "new", speed, type,
		  udev->bus->controller->driver->name, udev->devnum);

這個hub其實就是我們的USB主機控制器的集線器,用來管理多個USB接口。繼續在核心中搜尋hub_port_init()函數被誰調用，最終調用層次如下：

hub_thread() //hub線程函數

hub_events() //hub事件函數

hub_port_connect_change() //hub端口連接配接函數

hub_port_init() //hub端口初始化函數

hub_thread()函數如下：

static int hub_thread(void *__unused)
{

    do {
           hub_events();       //執行一次hub事件函數
           wait_event_interruptible(khubd_wait,!list_empty(&hub_event_list)||kthread_should_stop()); 
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　   //每次執行一次hub事件,都會進入一次等待事件中斷函數
           try_to_freeze();            
    } while (!kthread_should_stop() || !list_empty(&hub_event_list));

    pr_debug("%s: khubd exiting\n", usbcore_name);
    return 0;
}

從上面函數中得到, 要想執行hub_events()，都要等待khubd_wait這個中斷喚醒才行，查找核心調用層次如下：

hub_irq()

kick_khubd()

wake_up(&khubd_wait); //喚醒hub_thread()函數中陷入的休眠

hub_irq()函數在usb_fill_int_urb()函數的第三個參數傳入。當usb port上狀态發生變化（比如接入usb裝置），USB主機控制器就會産生一個hub_irq中斷，hub_irq()中又調用了kick_khubd()函數，在該函數裡調用了wake_up()函數喚醒hub_thread()函數中陷入的休眠，後面就會進行一系列的枚舉、注冊等過程。接下來詳細介紹喚醒hub_thread()函數後所做的工作。

2.2.1 hub_events()函數

喚醒hub_thread()函數後會再次執行do while循環，進入hub_events()，hub_events()函數的部分代碼如下：

static void hub_events(void)
{
   	... ...
	while (1) {

		/*
		 * 做了一些邏輯判斷，判斷hub是否連接配接，hub上是否有錯誤，
		 * 如果有錯誤就重新開機hub，如果沒有錯誤，接下來就對hub上的
		 * 每個port進行掃描，判斷各個port是否發生狀态變化，如果
		 * 産生了變化則調用hub_port_connect_change進行處理；
		 */
		... ...
		
		for (i = 1; i <= hub->descriptor->bNbrPorts; i++) {
			... ...
				
			if (connect_change)
				hub_port_connect_change(hub, i,
						portstatus, portchange);
		}
		... ...
	    } 
}

該函數主要工作是周遊hub中的所有port，對各個port的狀态進行檢視，判斷port是否發生了狀态變化（這些狀态主要有：1.原先port上沒有裝置，現在檢測到有裝置連接配接；2.原先port上有裝置，由于控制器不正常關閉或禁止usb port等原圖使得該裝置處于NOATTACHED态），如果發現port的連接配接狀态發生變化或由于EMI導緻連接配接使能發生變化，即connect_change=1，則調用hub_port_connect_change()函數。

2.2.2 hub_port_connect_change()函數

hub_port_connect_change()函數的部分代碼如下：

static void hub_port_connect_change(struct usb_hub *hub, int port1,u16 portstatus, u16 portchange)
{ 
　　... ...
　　udev = usb_alloc_dev(hdev, hdev->bus, port1);       　　 //配置設定設定一個usb_device結構體

　　usb_set_device_state(udev, USB_STATE_POWERED);          //設定注冊的USB裝置的狀态标志
　　... ...

　　choose_address(udev);                                 　//給新的裝置配置設定一個位址編号
　
 　status = hub_port_init(hub, udev, port1, i);      　　　 //初始化端口,與USB裝置建立連接配接
　　... ...

　　status = usb_new_device(udev);              　　　　　　 //建立USB裝置,注冊到系統
　　... ...
}

hub_port_connect_change()函數主要調用以下4個函數：

（1） usb_alloc_dev()函數：

usb_alloc_dev(struct usb_device *parent, struct usb_bus *bus, unsigned port1)
{
       struct usb_device *dev;

       dev = kzalloc(sizeof(*dev), GFP_KERNEL);    //配置設定一個usb_device裝置結構體
       ... ...
       device_initialize(&dev->dev);    //初始化usb_device
            
       dev->dev.bus = &usb_bus_type;    //設定usb_device的成員device->bus等于usb_bus總線

       dev->dev.type = &usb_device_type;    //設定usb_device的成員device->type等于usb_device_type                    
       ... ...
       return dev;    //傳回一個usb_device結構體
}

（2） choose_address()函數：

static void choose_address(struct usb_device *udev)
{
    int devnum;
    struct usb_bus *bus = udev->bus;

    devnum = find_next_zero_bit(bus->devmap.devicemap, 128,bus->devnum_next);    //在bus->devnum_next~128區間中,循環查找下一個非0(沒有裝置)的編号

    if (devnum >= 128)    //若編号大于等于128,說明沒有找到空餘的位址編号,從頭開始找
        devnum = find_next_zero_bit(bus->devmap.devicemap, 128, 1);
    
    bus->devnum_next = ( devnum >= 127 ? 1 : devnum + 1);    //設定下次尋址的區間+1

    if (devnum < 128) {                                  
        set_bit(devnum, bus->devmap.devicemap);    //設定位
        udev->devnum = devnum;　　　　　　　　　　　　　　   
    }
}

這裡配置設定了位址編号，核心啟動時會進來一次，編号1被使用了，是以接上一個USB滑鼠時列印出的位址編号為2，下次配置設定的位址編号遞增，直到127再從1開始找沒有使用的位址編号。拔插兩次USB滑鼠輸出如下圖：

十四、Linux驅動之USB驅動分析1. 基本概念2. USB驅動分析

（3） hub_port_init()函數：

static int hub_port_init (struct usb_hub *hub, struct usb_device *udev, int port1,int retry_counter)
{
    ... ...
    dev_info (&udev->dev,
        "%s %s speed %sUSB device using %s and address %d\n",
        (udev->config) ? "reset" : "new", speed, type,
        udev->bus->controller->driver->name, udev->devnum);    //對應前面列印的USB裝置資訊
    ... ...
    for (j = 0; j < SET_ADDRESS_TRIES; ++j) 
    {
       retval = hub_set_address(udev);     //設定位址,告訴USB裝置新的位址編号

       if (retval >= 0)
                break;
       msleep(200);
    }
    retval = usb_get_device_descriptor(udev, 8);    //獲得USB裝置描述符前8個位元組
    ... ...

    retval = usb_get_device_descriptor(udev, USB_DT_DEVICE_SIZE);    //重新擷取裝置描述符資訊
    ... ...
}

擷取描述符時還不知道端點0一次性傳輸的包大小是多少，可以通過先獲得描述符的第8個位元組得到端點0一次性傳輸的包大小，後面再以該包大小重讀一次目标裝置的裝置描述符。這裡提到了裝置描述符，該資料結構如下：

struct usb_device_descriptor {
 __u8  bLength;                          //本描述符的size
 __u8  bDescriptorType;              　　//描述符的類型，這裡是裝置描述符DEVICE
 __u16 bcdUSB;                           //指明usb的版本，比如usb2.0
 __u8  bDeviceClass;                  　　//類
 __u8  bDeviceSubClass;             　　  //子類
 __u8  bDeviceProtocol;                  //指定協定
 __u8  bMaxPacketSize0;            　　   //端點0對應的最大包大小
 __u16 idVendor;                         //廠家ID
 __u16 idProduct;                        //産品ID
 __u16 bcdDevice;                        //裝置的釋出号
 __u8  iManufacturer;                    //字元串描述符中廠家ID的索引
 __u8  iProduct;                         //字元串描述符中産品ID的索引
 __u8  iSerialNumber;                 　　//字元串描述符中裝置序列号的索引
 __u8  bNumConfigurations;               //可能的配置的數目
} __attribute__ ((packed));

（4） usb_new_device()函數：

int usb_new_device(struct usb_device *udev)
{
    int err;
    ... ...
    err = usb_get_configuration(udev);    //擷取并解析配置資訊
    ... ...
    err = device_add(&udev->dev);    //把device放入bus的dev連結清單中,并尋找對應的裝置驅動
}

usb_get_configuration()函數裡擷取得到的資訊裡它包含了多種資訊：配置，相關聯接口，接口，端口等，再将這些資訊把它補全到之前申請的usb_host_config結構裡，把各類資訊放到相應的結構中。最後調用device_add()函數，使用裝置模型機制，将該USB裝置注冊到核心中去。

2.2.3 device_add()函數

device_add()函數部分代碼如下：

int device_add(struct device *dev)
{
    dev = get_device(dev);         //使dev等于usb_device下的device成員
    ... ...
    if ((error = bus_add_device(dev))) // 把這個裝置添加到dev->bus的device連結清單中
              goto BusError;
    ... ...
    bus_attach_device(dev);           //來比對USB總線上的usb_drv
    ... ...
}

與之前章節講解的platform總線相同，bus_attach_device會調用到該裝置總線類型裡的成員.match比對函數，與該總線上的所有的usb_drv進行比對，對于本節的USB驅動則是usb_bus_type，該資料結構如下：

struct bus_type usb_bus_type = {
	.name =		"usb",
	.match =	usb_device_match,    //比對函數
	.uevent =	usb_uevent,
	.suspend =	usb_suspend,
	.resume =	usb_resume,
};

比對函數usb_device_match()部分代碼如下：

static int usb_device_match(struct device *dev, struct device_driver *drv)
{
	if (is_usb_device(dev)) {	//判斷是不是USB裝置
	      if (!is_usb_device_driver(drv))
	             return 0;
	      return 1;
	 }
	else {	//否則就是USB驅動或者USB裝置的接口
	      struct usb_interface *intf;
	      struct usb_driver *usb_drv;
	      const struct usb_device_id *id;           

	      if (is_usb_device_driver(drv))		//如果是USB驅動,就不需要比對,直接return
	             return 0; 

	      intf = to_usb_interface(dev);		//擷取USB裝置的接口
	      usb_drv = to_usb_driver(drv);		//擷取USB驅動

	      id = usb_match_id(intf, usb_drv->id_table);	//比對USB驅動的成員id_table
	      if (id)
	             return 1;

	      id = usb_match_dynamic_id(intf, usb_drv);
	      if (id)
	      	return 1;
	}
	return 0;
}

而其中的usb_match_id()函數最終又調用到了usb_match_device()函數，部分代碼如下：

/* 傳回0比對成功，傳回1比對失敗 */
int usb_match_device(struct usb_device *dev, const struct usb_device_id *id)
{
        ... ...

	if ((id->match_flags & USB_DEVICE_ID_MATCH_DEV_CLASS) &&
	    (id->bDeviceClass != dev->descriptor.bDeviceClass))
		return 0;

	if ((id->match_flags & USB_DEVICE_ID_MATCH_DEV_SUBCLASS) &&
	    (id->bDeviceSubClass!= dev->descriptor.bDeviceSubClass))
		return 0;

	if ((id->match_flags & USB_DEVICE_ID_MATCH_DEV_PROTOCOL) &&
	    (id->bDeviceProtocol != dev->descriptor.bDeviceProtocol))
		return 0;

	return 1;
}

即比對前面提到的裝置描述符裡的三個成員：

struct usb_device_descriptor {
... ...
 __u8  bDeviceClass;                  　　//類
 __u8  bDeviceSubClass;             　　  //子類
 __u8  bDeviceProtocol;                  //指定協定
... ...
} __attribute__ ((packed));

參考/drivers/hid/usbhid/usbmouse.c(核心自帶的USB滑鼠驅動)，看核心是如何使用比對參數的：

/*
#define USB_INTERFACE_INFO(cl,sc,pr) \
	.match_flags = USB_DEVICE_ID_MATCH_INT_INFO, .bInterfaceClass = (cl), \
	.bInterfaceSubClass = (sc), .bInterfaceProtocol = (pr)
*/

static struct usb_device_id usb_mouse_id_table [] = {
	{ USB_INTERFACE_INFO(USB_INTERFACE_CLASS_HID, USB_INTERFACE_SUBCLASS_BOOT,
		USB_INTERFACE_PROTOCOL_MOUSE) },
	{ }	/* Terminating entry */
};

static struct usb_driver usb_mouse_driver = {
	.name		= "usbmouse",
	.probe		= usb_mouse_probe,
	.disconnect	= usb_mouse_disconnect,
	.id_table	= usb_mouse_id_table,
};

是以可以看出對于USB驅動device_add的作用：

1. 把device放入usb_bus_type的dev連結清單

2. 從usb_bus_type的driver連結清單裡取出usb_driver

3. 把usb_interface和usb_driver的id_table比較

4. 如果能比對，調用usb_driver的probe

2.2.4 總結

整體架構圖如下：

十四、Linux驅動之USB驅動分析1. 基本概念2. USB驅動分析

USB總線驅動程式在我們接入USB裝置的時候會幫我們構造一個新的usb_device注冊到總線裡面來。我們插上任意的USB裝置，就發現核心列印出一些資訊，說明USB總線驅動程式、USB裝置程式已經做好，後面隻需要編寫USB驅動程式，即下圖中的usb_driver 。（是以，以後寫USB驅動程式，寫的就是USB接口描述符方面的）

十四、Linux驅動之USB驅動分析1. 基本概念2. USB驅動分析

十四、Linux驅動之USB驅動分析1. 基本概念2. USB驅動分析

1. 基本概念

1.1 簡介

1.2 熱拔插

1.3 傳輸類型

1.4 USB裝置邏輯結構

1.5 USB協定

2. USB驅動分析

2.1 USB驅動程式架構

2.2 USB驅動分析

2.2.1 hub_events()函數

2.2.2 hub_port_connect_change()函數

2.2.3 device_add()函數

2.2.4 總結

繼續閱讀

I2C驅動架構

Linux核心移植之DM9000網卡驅動簡介添加dm9000網卡裝置驅動在裝置樹中添加網卡驅動編譯下載下傳常見錯誤

互斥鎖與自旋鎖

IO 的阻塞和非阻塞一：等待隊列1. 等待隊列： -- wait queue2. 例子

Linux核心開發之阻塞非阻塞IO----輪詢操作

platform_device記憶體,中斷，時鐘

SSD卡驅動中trim指令的實作原理

Linux C flie操作: open write read lseek close函數分析

ARM-Linux下的GPIO中斷程式

Linux核心子產品：子產品的編譯

linux下将驅動編譯進核心

每天一小步——裝置模型之kobject,kset及其關系

裝置驅動模型(kobject、kset、ktype)裝置驅動模型概述關鍵結構體

Linux 裝置模型之（kobject、kset 和 Subsystem）（二）

linux外部子產品編譯——利用kbuild進行編譯0 須知1.指令行形式2.Makefile

linux rmmod: chdir(3.14.0-xilinx): No such file or directory