1. 基本概念
1.1 简介
USB是英文"Universal Serial Bus"的缩写，意为"通用串行总线"。USB最初是为了替代许多不同的低速总线(包括并行、串行和键盘连接)而设计的,它以单一类型的总线连接各种不同的类型的设备。USB的发展已经超越了这些低速的连接方式,它现在可以支持几乎所有可以连接到PC上的设备。最新的USB规范修订了理论上高达480Mbps的高速连接。
USB的驱动可以分为3类：SoC的USB控制器的驱动，主机端USB设备的驱动，设备上的USB Gadget驱动，通常，对于USB这种标准化的设备，内核已经将主机控制器的驱动编写好了，设备上的Gadget驱动通常只运行固件程序而不是基于Linux, 所以驱动工程师的主要工作就是编写主机端的USB设备驱动。
1.2 热拔插
当一个USB设备插入PC机，PC机怎么知道有设备插入? 如下图所示，USB接口只有4条线：VCC（5V），GND，D-，D+。 PC机的USB插孔的D-和D+数据线均连接15K欧姆的下拉电阻。而USB设备端的D-或D+数据线连接1.5K欧姆的上拉电阻。当设备插入PC机的时候，会将PC机的D-或D+端的电压拉高，当PC机在D-或D+端检测到高电平时，就知道有设备插入了。如果是PC机D-端被拉高，接入的则是USB低速设备；如果是PC机D+端被拉高，接入的则是USB全速或高速设备，具体是全速设备还是高速设备，会由PC机和USB设备发包握手确定。
USB低速设备硬件接线图 USB全速（高速）设备硬件接线图
1.3 传输类型
控制传输(control)：是每一个USB设备必须支持的，通常用来获取设备描述符、设置设备的状态等等。一个USB设备从插入到最后的拔出这个过程一定会产生控制传输(即便这个USB设备不能被这个系统支持)。
中断传输(interrupt)：支持中断传输的典型设备有USB鼠标、 USB键盘等等。中断传输不是说我的设备真正发出一个中断，然后主机会来读取数据。它其实是一种轮询的方式来完成数据的通信。USB设备会在设备驱动程序中设置一个参数叫做interval，它是endpoint的一个成员。 interval是间隔时间的意思，表示我这个设备希望主机多长时间来轮询自己,只要这个值确定了之后，我主机就会周期性的来查看有没有数据需要处理。
批量传输(bulk)：支持批量传输最典型的设备就是U盘，它进行大数量的数据传输，能够保证数据的准确性，但是时间不是固定的。
实时传输(isochronous)：USB摄像头就是实时传输设备的典型代表，它同样进行大数量的数据传输，数据的准确性无法保证，但是对传输延迟非常敏感，也就是说对实时性要求比较高。
1.4 USB设备逻辑结构
为了更好地描述USB设备的特征，USB提出了设备架构的概念。从这个角度来看，可以认为USB设备是由一些配置、接口和端点组成（设备通常有一个或多个配置，配置通常有一个或多个接口，接口通常有一个或多个设置，接口有零或多个端点）。其中，配置和接口是对USB设备功能的抽象，实际的数据传输由端点来完成。在使用USB设备前，必须指明其采用的配置和接口。这个步骤一般是在设备接入主机时设备进行枚举时完成的。
USB设备与主机会有若干个通信的”端点”，每个端点都有个端点号，除了端点0外，每一个端点只能工作在一种传输类型下。传输方向都是基于USB主机的立场说的，比如:鼠标的数据是从鼠标传到PC机，对应的端点称为"中断输入端点"。其中端点0是设备的默认控制端点， 既能输出也能输入，用于USB设备的识别过程。
1.5 USB协议
USB2.0协议中文版
2. USB驱动分析
2.1 USB驱动程序框架
USB驱动程序框架图如下：
USB总线驱动程序的作用：
1. 识别USB设备
1.1 分配地址
1.2 并告诉USB设备(set address)
1.3 发出命令获取描述符（描述符的信息可以在include\linux\usb\Ch9.h看到 (Ch9是指USB规范的第九章)）
2. 查找并安装对应的设备驱动程序
3. 提供USB读写函数
USB总线上的所有通信都是由主机发起的，所以本质上，USB都是采用轮询的方式进行的。USB总线会使用轮询的方式不断检测总线上是否有设备接入，如果有设备接入相应的D+D-就会有电平变化。然后总线就会按照USB规定的协议与设备进行通信，设备将存储在自身的设备信息依次交给主机，主机将这些信息组织起来。上报到内核，内核中的USB子系统再去匹配相应的驱动。
2.2 USB驱动分析
当我们开发板启动内核（内核配置好了usbmouse相关驱动）后，开发板接上一个USB鼠标，串口端输入如下信息：
从第一行输出信息的“USB device using”定位到内核的drivers/usb/core/hub.c文件的hub_port_init()函数中
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);
这个hub其实就是我们的USB主机控制器的集线器,用来管理多个USB接口。继续在内核中搜索hub_port_init()函数被谁调用，最终调用层次如下：
hub_thread() //hub线程函数
hub_events() //hub事件函数
hub_port_connect_change() //hub端口连接函数
hub_port_init() //hub端口初始化函数
hub_thread()函数如下：
static int hub_thread(void *__unused)
{
do {
hub_events(); //执行一次hub事件函数
wait_event_interruptible(khubd_wait,!list_empty(&hub_event_list)||kthread_should_stop());
//每次执行一次hub事件,都会进入一次等待事件中断函数
try_to_freeze();
} while (!kthread_should_stop() || !list_empty(&hub_event_list));
pr_debug("%s: khubd exiting\n", usbcore_name);
return 0;
}
从上面函数中得到, 要想执行hub_events()，都要等待khubd_wait这个中断唤醒才行，查找内核调用层次如下：
hub_irq()
kick_khubd()
wake_up(&khubd_wait); //唤醒hub_thread()函数中陷入的休眠
hub_irq()函数在usb_fill_int_urb()函数的第三个参数传入。当usb port上状态发生变化（比如接入usb设备），USB主机控制器就会产生一个hub_irq中断，hub_irq()中又调用了kick_khubd()函数，在该函数里调用了wake_up()函数唤醒hub_thread()函数中陷入的休眠，后面就会进行一系列的枚举、注册等过程。接下来详细介绍唤醒hub_thread()函数后所做的工作。
2.2.1 hub_events()函数
唤醒hub_thread()函数后会再次执行do while循环，进入hub_events()，hub_events()函数的部分代码如下：
static void hub_events(void)
{
... ...
while (1) {
/*
* 做了一些逻辑判断，判断hub是否连接，hub上是否有错误，
* 如果有错误就重启hub，如果没有错误，接下来就对hub上的
* 每个port进行扫描，判断各个port是否发生状态变化，如果
* 产生了变化则调用hub_port_connect_change进行处理；
*/
... ...
for (i = 1; i <= hub->descriptor->bNbrPorts; i++) {
... ...
if (connect_change)
hub_port_connect_change(hub, i,
portstatus, portchange);
}
... ...
}
}
该函数主要工作是遍历hub中的所有port，对各个port的状态进行查看，判断port是否发生了状态变化（这些状态主要有：1.原先port上没有设备，现在检测到有设备连接；2.原先port上有设备，由于控制器不正常关闭或禁止usb port等原图使得该设备处于NOATTACHED态），如果发现port的连接状态发生变化或由于EMI导致连接使能发生变化，即connect_change=1，则调用hub_port_connect_change()函数。
2.2.2 hub_port_connect_change()函数
hub_port_connect_change()函数的部分代码如下：
static void hub_port_connect_change(struct usb_hub *hub, int port1,u16 portstatus, u16 portchange)
{
... ...
udev = usb_alloc_dev(hdev, hdev->bus, port1); //分配设置一个usb_device结构体
usb_set_device_state(udev, USB_STATE_POWERED); //设置注册的USB设备的状态标志
... ...
choose_address(udev); //给新的设备分配一个地址编号
status = hub_port_init(hub, udev, port1, i); //初始化端口,与USB设备建立连接
... ...
status = usb_new_device(udev); //创建USB设备,注册到系统
... ...
}
hub_port_connect_change()函数主要调用以下4个函数：
（1） usb_alloc_dev()函数：
usb_alloc_dev(struct usb_device *parent, struct usb_bus *bus, unsigned port1)
{
struct usb_device *dev;
dev = kzalloc(sizeof(*dev), GFP_KERNEL); //分配一个usb_device设备结构体
... ...
device_initialize(&dev->dev); //初始化usb_device
dev->dev.bus = &usb_bus_type; //设置usb_device的成员device->bus等于usb_bus总线
dev->dev.type = &usb_device_type; //设置usb_device的成员device->type等于usb_device_type
... ...
return dev; //返回一个usb_device结构体
}
（2） choose_address()函数：
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区间中,循环查找下一个非0(没有设备)的编号
if (devnum >= 128) //若编号大于等于128,说明没有找到空余的地址编号,从头开始找
devnum = find_next_zero_bit(bus->devmap.devicemap, 128, 1);
bus->devnum_next = ( devnum >= 127 ? 1 : devnum + 1); //设置下次寻址的区间+1
if (devnum < 128) {
set_bit(devnum, bus->devmap.devicemap); //设置位
udev->devnum = devnum;
}
}
这里分配了地址编号，内核启动时会进来一次，编号1被使用了，所以接上一个USB鼠标时打印出的地址编号为2，下次分配的地址编号递增，直到127再从1开始找没有使用的地址编号。拔插两次USB鼠标输出如下图：
（3） hub_port_init()函数：
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); //对应前面打印的USB设备信息
... ...
for (j = 0; j < SET_ADDRESS_TRIES; ++j)
{
retval = hub_set_address(udev); //设置地址,告诉USB设备新的地址编号
if (retval >= 0)
break;
msleep(200);
}
retval = usb_get_device_descriptor(udev, 8); //获得USB设备描述符前8个字节
... ...
retval = usb_get_device_descriptor(udev, USB_DT_DEVICE_SIZE); //重新获取设备描述符信息
... ...
}
获取描述符时还不知道端点0一次性传输的包大小是多少，可以通过先获得描述符的第8个字节得到端点0一次性传输的包大小，后面再以该包大小重读一次目标设备的设备描述符。这里提到了设备描述符，该数据结构如下：
struct usb_device_descriptor {
__u8 bLength; //本描述符的size
__u8 bDescriptorType; //描述符的类型，这里是设备描述符DEVICE
__u16 bcdUSB; //指明usb的版本，比如usb2.0
__u8 bDeviceClass; //类
__u8 bDeviceSubClass; //子类
__u8 bDeviceProtocol; //指定协议
__u8 bMaxPacketSize0; //端点0对应的最大包大小
__u16 idVendor; //厂家ID
__u16 idProduct; //产品ID
__u16 bcdDevice; //设备的发布号
__u8 iManufacturer; //字符串描述符中厂家ID的索引
__u8 iProduct; //字符串描述符中产品ID的索引
__u8 iSerialNumber; //字符串描述符中设备序列号的索引
__u8 bNumConfigurations; //可能的配置的数目
} __attribute__ ((packed));
（4） usb_new_device()函数：
int usb_new_device(struct usb_device *udev)
{
int err;
... ...
err = usb_get_configuration(udev); //获取并解析配置信息
... ...
err = device_add(&udev->dev); //把device放入bus的dev链表中,并寻找对应的设备驱动
}
usb_get_configuration()函数里获取得到的信息里它包含了多种信息：配置，相关联接口，接口，端口等，再将这些信息把它补全到之前申请的usb_host_config结构里，把各类信息放到相应的结构中。最后调用device_add()函数，使用设备模型机制，将该USB设备注册到内核中去。
2.2.3 device_add()函数
device_add()函数部分代码如下：
int device_add(struct device *dev)
{
dev = get_device(dev); //使dev等于usb_device下的device成员
... ...
if ((error = bus_add_device(dev))) // 把这个设备添加到dev->bus的device链表中
goto BusError;
... ...
bus_attach_device(dev); //来匹配USB总线上的usb_drv
... ...
}
与之前章节讲解的platform总线相同，bus_attach_device会调用到该设备总线类型里的成员.match匹配函数，与该总线上的所有的usb_drv进行匹配，对于本节的USB驱动则是usb_bus_type，该数据结构如下：
struct bus_type usb_bus_type = {
.name = "usb",
.match = usb_device_match, //匹配函数
.uevent = usb_uevent,
.suspend = usb_suspend,
.resume = usb_resume,
};
匹配函数usb_device_match()部分代码如下：
static int usb_device_match(struct device *dev, struct device_driver *drv)
{
if (is_usb_device(dev)) { //判断是不是USB设备
if (!is_usb_device_driver(drv))
return 0;
return 1;
}
else { //否则就是USB驱动或者USB设备的接口
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驱动,就不需要匹配,直接return
return 0;
intf = to_usb_interface(dev); //获取USB设备的接口
usb_drv = to_usb_driver(drv); //获取USB驱动
id = usb_match_id(intf, usb_drv->id_table); //匹配USB驱动的成员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()函数最终又调用到了usb_match_device()函数，部分代码如下：
/* 返回0匹配成功，返回1匹配失败 */
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;
}
即匹配前面提到的设备描述符里的三个成员：
struct usb_device_descriptor {
... ...
__u8 bDeviceClass; //类
__u8 bDeviceSubClass; //子类
__u8 bDeviceProtocol; //指定协议
... ...
} __attribute__ ((packed));
参考/drivers/hid/usbhid/usbmouse.c(内核自带的USB鼠标驱动)，看内核是如何使用匹配参数的：
/*
#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,
};
所以可以看出对于USB驱动device_add的作用：
1. 把device放入usb_bus_type的dev链表
2. 从usb_bus_type的driver链表里取出usb_driver
3. 把usb_interface和usb_driver的id_table比较
4. 如果能匹配，调用usb_driver的probe
2.2.4 总结
整体框架图如下：
USB总线驱动程序在我们接入USB设备的时候会帮我们构造一个新的usb_device注册到总线里面来。我们插上任意的USB设备，就发现内核打印出一些信息，说明USB总线驱动程序、USB设备程序已经做好，后面只需要编写USB驱动程序，即下图中的usb_driver 。（因此，以后写USB驱动程序，写的就是USB接口描述符方面的）