《Linux设备驱动程序》第十三章 USB驱动程序读书笔记

July 4, 2012 / Driver, Linux, Reading Note, USB

简介
- 通用串行总线（USB）是主机和外围设备之间的一种连接
- 从拓扑上来看，一个USB子系统并不是以总线的方式来布置的；它是一棵由几个点对点的连接构建而成的树
- 这些连接是连接设备和集线器（hub）的四线电缆（地线、电源线和两根信号线）
- USB协议规范定义了一套任何特定类型的设备都可以遵循的标准，如果一个设备遵循该标准，就不需要一个特殊的驱动程序
- Linux内核支持两种主要类型的USB驱动程序
  - 宿主系统上的驱动程序
    - 控制插入其中的USB设备
  - 设备上的驱动程序
    - 控制该设备如何作为一个USB设备和主机通信
USB设备基础
- Linux内核提供了一个称为USB核心的子系统来处理大部分的复杂性
- 端点
  - USB通信最基本的形式是通过一个名为端点（endpoint）的东西
  - USB端点只能往一个方向传送数据，从主机到设备（输出端点）或者从设备到主机（输入端点）
  - USB端点有四种不同的类型
    - 控制
      - 控制端点用来控制对USB设备不同部分的访问
      - 每个USB设备都有一个名为“端点0”的控制端点
    - 中断
      - 每当USB宿主要求设备传输数据时，中断端点就以一个固定的速率来传送少量的数据
    - 批量
      - 批量（bulk）端点传输大批量的数据
    - 等时
      - 等时（isochronous）端点同样可以传送大批量的数据，但数据是否到达是没有保证的
  - 控制和批量端点用于异步的数据传输，只要驱动程序决定使用它们
  - 内核中使用struct usb_host_endpoint结构体来描述USB端点，该结构体在另一个名为struct usb_endpoint_descriptor的结构体中包含了真正的端点信息
  - struct usb_host_endpoint
    - bEndpointAddress
    - bmAttributes
    - wMaxPacketSize
    - bInterval
- 接口
  - USB端口被捆绑为接口
  - USB接口只处理一种USB逻辑连接
  - struct usb_interface
    - struct usb_host_interface *altsetting
    - unsigned num_altsetting
    - struct usb_host_interface *cur_altsetting
    - int minor
- 配置
  - USB接口本身被捆绑为配置
  - 一个USB设备可以有多个配置，而且可以配置之间切换以改变设备的状态
  - struct usb_host_config
  - struct usb_device
  - include/linux/usb.h.
  - USB设备是非常复杂的，它由许多不同的逻辑单元组成
    - 设备通常具有一个或者更多的配置
    - 配置经常具有一个或者更多的接口
    - 接口通常具有一个或者更多的设置
    - 接口没有或者具有一个以上的端口

USB和Sysfs
- 无论是物理USB设备还是单独的USB接口，在sysfs中均表示为单独的设备
- 第一个USB设备是一个根集线器，这是一个USB控制器，通常包含在一个PCI设备中，该控制器是连接PCI总线和USB总线的桥，也是该总线上的第一个USB设备
- 所有的根集线器都由USB核心分配了一个独特的编号
- USB sysfs设备命名方案为：根集线器-集线器端口号:配置.接口
- /proc/bus/usb/
- /proc/bus/usb/devices
USB urb
- Linux内核中的USB代码通过一个称为urb（USB请求块）的东西和所有的USB设置通信
- include/linux/usb.h
- struct urb
- urb被用来以一种异步的方式往/从特定的USB设备上的特定USB端口发送/接收数据
- 一个urb的典型生命周期如下
  - 由USB设备驱动程序创建
  - 分配给一个特定USB设备的特定端点
  - 由USB设备驱动程序递交到USB核心
  - 由USB核心递交到特定设备的特定USB主控制器驱动程序
  - 由USB主控制器驱动程序处理，它从设备进行USB传送
  - 当urb结束之后，USB主控制器驱动程序通知USB设备驱动程序
- struct urb
  - struct urb
    - struct usb_device *dev
    - unsigned int pipe
      - 必须使用下列恰当的函数来设置该结构体的字段
      - unsigned int usb_sndctrlpipe(struct usb_device *dev, unsigned int endpoint)
      - unsigned int usb_rcvctrlpipe(struct usb_device *dev, unsigned int endpoint)
      - unsigned int usb_sndbulkpipe(struct usb_device *dev, unsigned int endpoint)
      - unsigned int usb_rcvbulkpipe(struct usb_device *dev, unsigned int endpoint)
      - unsigned int usb_sndintpipe(struct usb_device *dev, unsigned int endpoint)
      - unsigned int usb_rcvintpipe(struct usb_device *dev, unsigned int endpoint)
      - unsigned int usb_sndisocpipe(struct usb_device *dev, unsigned int endpoint)
      - unsigned int usb_rcvisocpipe(struct usb_device *dev, unsigned int endpoint)
    - unsigned int transfer_flags
      - URB_SHORT_NOT_OK
      - URB_ISO_ASAP
      - URB_NO_TRANSFER_DMA_MAP
      - URB_NO_SETUP_DMA_MAP
      - URB_ASYNC_UNLINK
      - URB_NO_FSBR
      - URB_ZERO_PACKET
      - URB_NO_INTERRUPT
    - void *transfer_buffer
    - dma_addr_t transfer_dma
    - int transfer_buffer_length
    - unsigned char *setup_packet
    - dma_addr_t setup_dma
    - usb_complete_t complete
      - typedef void (usb_complete_t) (struct urb , struct pt_regs *);
    - void *context
    - int actual_length
    - int status
      - 0
      - -ENOENT
      - -ECONNRESET
      - -EINPROGRESS
      - -EPROTO
      - -EILSEQ
      - -EPIPE
      - -ECOMM
      - -ENOSR
      - -EOVERFLOW
      - -EREMOTEIO
      - -ENODEV
      - -EXDEV
      - _EINVAL
      - -ESHUTDOWN
    - int start_frame
    - int interval
    - int number_of_packets
    - int error_count
    - struct usb_iso_packet_descriptor iso_frame_desc[0]
  - struct usb_iso_packet_descriptor
    - unsigned int offset
    - unsigned int length
    - unsigned int actual_length
    - unsigned int status
- 创建和销毁urb
  - struct urb *usb_alloc_urb(int iso_packets, int mem_flags);
  - void usb_free_urb(struct urb *urb);
  - 中断urb
    - void usb_file_int_urb(struct urb urb, struct usb_device dev, unsigned pipe, void transfer_buffer, int buffer_length, usb_complete_t complete, void context, int interval);
  - 批量urb
    - void usb_fill_bulk_urb(struct urb urb, struct usb_device dev, unsigned int pipe, void transfer_buffer, int buffer_length, usb_complete_t complete, void context);
  - 控制urb
    - void usb_fill_control_urb(struct urb urb, struct usb_device dev, unsigned int pipe, unsigned char setup_packet, void transfer_buffer, int buffer_length, usb_complete_t complete, void *context);
  - 等时urb
    - 没有和中断、控制和批量urb类似的初始化函数，因此它们在被提交到USB核心之前，必须驱动程序中“手工地”进行初始化
    - drivers/usb/media/konicawc.c
- 提交urb
  - int usb_submit_urb(struct urb *urb, int mem_flags);
- 结束urb：结束回调处理例程
  - 只有三种结束urb和调用结束函数的情形
    - urb被成功地发送到了设备，设备返回了正确的确认
    - 发送数据到设备或者从设备接收数据时发生了某种错误
    - urb从USB核心中被“解开链接”
- 取消urb
  - int usb_kill_urb(struct urb *urb);
  - int usb_unlink_urb(struct urb *urb);
编写USB驱动程序
- 驱动程序支持哪些设备
  - struct usb_device_id结构体提供了一列不同类型的该驱动程序支持的USB设备
  - struct usb_device_id
    - __u16 match_flags
      - include/linux/mod_devicetable.h中的USB_DEVICE_ID_MATCH_*
    - __u16 idVendor
    - __u16 idProduct
    - __u16 bcdDevice_lo
    - __u16 bcdDevice_hi
    - __u8 bDeviceClass
    - __u8 bDeviceSubClass
    - __u8 bDeviceProtocol
    - __u8 bInterfaceClass
    - __u8 bInterfaceSubClass
    - __u8 bInterfaceProtocol
    - kernel_ulong_t driver_info
  - USB_DEVICE(vendor, product)
  - USB_DEVICE_VER(vendor, product, lo, hi);
  - USB_DEVICE_INFO(class, subclass, protocol);
  - USB_INTERFACE_INFO(class, subclass, protocol);
- 注册USB驱动程序
  - struct usb_driver
    - struct module *owner
    - const char *name
    - const struct usb_device_id *id_table
    - int (probe) (struct usb_interface intf, const struct usb_device_id *id);
    - void (disconnect) (struct usb_interface intf);
    - int (ioctl) (struct usb_interface intf, unsigned int code, void *buf);
    - int (suspend) (struct usb_interface intf, u32 state);
    - int (resume) (struct usb_interface intf);
  - usb_register_driver(struct usb_driver *driver)
  - usb_deregister(struct usb_driver *driver);
- 探测和断开的细节
  - usb_set_intfdata(interface, dev);
  - dev = usb_get_intfdata(interface);
  - usb_register_dev(struct usb_interface * interface, struct usb_class_driver * class);
  - usb_deregister_dev(struct usb_interface * interface, struct usb_class_driver * class);
  - struct usb_class_driver
    - char *name
    - struct file_operations *fops
    - mode_t mode
    - int minor_base
- 提交和控制urb
  - 当驱动程序有数据要发送到USB设备时，必须分配一个urb来把数据传输给设备
    - urb = usb_alloc_urb(0, GFP_KERNEL);
  - 在urb被成功地分配之后，还应该创建一个DMA缓冲区来以最高效的方式发送数据到设备，传递给驱动程序的数据应该复制到该缓冲区中
    - buf = usb_buffer_alloc(dev->udev, count, GFP_KERNEL, &urb->transfer_dma);
  - 一旦数据从用户空间正确地复制到了局部缓冲区中，urb必须在可以被提交给USB核心之前被正确地初始化
    - usb_fill_bulk_urb(urb, dev->udev, usb_sndbulkpipe(dev->udev, dev->bulk_out_endpointAddr), buf, count, skel_write_bulk_callback, dev);
  - urb被正确地分配了，数据被正确地复制了，urb被正确地初始化了，它就可以被提交给USB核心以传输到设备
    - retval = usb_submit_urb(urb, GFP_KERNEL);
  - static void skel_write_bulk_callback(struct urb urb, struct pt_regs regs)
  - {
    - usb_buffer_free(urb->dev, urb->transfer_buffer_length, urb->transfer_buffer, urb->transfer_dma);
  - }
不使用urb的USB传输
- usb_bulk_msg
  - int usb_bulk_msg(struct usb_device usb_dev, unsigned int pipe, void data, int len, int *actual_length, int timeout);
- usb_control_msg
  - int usb_control_msg(struct sub_device *dev, unsigned int pipe, __u8 request, __u8 requesttype, __u16 value, __u16 index, void *data, __u16 size, int timeout);
- 其他USB数据函数
  - int usb_get_descriptor(struct usb_device dev, unsigned char type, unsigned char index, void buf, int size);
    - type
      - USB_DT_DEVICE
      - USB_DT_CONFIG
      - USB_DT_STRING
      - USB_DT_INTERFACE
      - USB_DT_ENDPOINT
      - USB_DT_DEVICE_QUALIFIER
      - USB_DT_OTHER_SPEED_CONFIG
      - USB_DT_INTERFACE_POWER
      - USB_DT_OTG
      - USB_DT_DEBUG
      - USB_DT_INTERFACE_ASSOCIATION
      - USB_DT_CS_DEVICE
      - USB_DT_CS_CONFIG
      - USB_DT_CS_STRING
      - USB_DT_CS_INTERFACE
      - USB_DT_CS_ENDPOINT
  - int usb_get_string(struct usb_device dev, unsigned short langid, unsigned char index, void buf, int size);

尘嚣之外

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