USB驱动程序笔记

通用串行总线(USB)是主机和外围设备之间的一种连接。

最新的USB规范修订增加了理论上高达480Mbps的高速连接。

从拓扑上来看，一个USB子系统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(底线、电源、两根信号线)。

USB主控制器(host controller)负责询问每一个USB设备是否有数据需要发送。

USB总线是一个单主方式的实现，即主机轮询各种不同的外围设备。

USB总线的特性：
*具有固定的数据传输带宽的能力
*只担当设备和主控制器之间通信通道的角色，对发送数据的结构没有要求

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。

这些不同的特定类型称为类(class)，
包括存储设备、键盘、鼠标、游戏杆、网络设备和调制解调器。

对于不符合这些类的其他类型的设备，需要针对特定的设备编写一个特定的驱动程序。
如视频设备。

Linux内核支持两种类型的USB驱动程序：
宿主(host)系统上的驱动程序和设备(device)上的驱动程序。

宿主系统的USB驱动程序控制插入其中的USB设备，
而USB设备的驱动程序控制该设备如何作为一个USB设备和主机通信。

用 户
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块设备层
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USB设备驱动程序
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USB核心
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USB主控制器
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硬 件

USB核心为USB驱动程序提供了一个用于访问和控制USB硬件的接口，
而不必考虑系统当前存在的各种不同类型的USB硬件控制器。

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USB设备基础

本章描述驱动程序和USB核心之间的接口。

USB驱动程序
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端点 端点 端点
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接 口
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配 置
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设 备

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端点

USB通信最基本的形式是通过一个名为端点(endpoint)的东西，
包括：
*输出端点
*输入端点

端点可以看作单向的管道。

USB端点有4种不同的类型，其传送数据的方式不同：
*控制
*中断
*批量
*等时

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。

后一个结构体包含了所有的USB特定的数据，
这些数据的格式是由设备自己定义的。
该结构体中驱动程序需要关心的字段有：

bEndpointAddress
特定端点的USB地址。这个8位的值中还包含了端点的方向。
结合位掩码USB_DIR_OUT和USB_DIR_IN来使用，以确定端点的数据
是传向设备还是主机。

bmAttributes
端点的类型。该值结合位掩码USB_ENDPOINT_XFERTYPE_MASK来使用，
以确定此端点的类型是USB_ENDPOINT_XFER_ISOC、USB_ENDPOINT_XFER_BULK
还是USB_ENDPOINT_XFER_INT。分别表示等时、批量和中断端点。

wMaxPacketSize
该端点一次可以处理的最大字节数。

bInterval
如果端点是中断类型，该值是端点的间隔设置。

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接口

USB端点被捆绑为接口。

USB接口只处理一种USB逻辑连接。

一些USB设备具有多个接口，例如
USB扬声器可以包括两个接口：一个USB键盘接口和一个USB音频流接口。

一个USB接口代表了一个基本功能，每个USB驱动程序控制一个接口。

以扬声器为例，Linux需要两个不同的驱动程序来处理一个硬件设备。

内核使用struct usb_interface结构体来描述USB接口。

USB核心把该结构体传递给USB驱动程序，
之后由USB驱动程序来负责控制该结构体。

该结构体的重要字段有：

struct usb_host_interface *altsetting
一个接口结构体数组，包含了所有可能用于该接口的可选设置。

unsigned num_altsetting
altsetting指针所指的可选设置的数量。

struct usb_host_interface *cur_altsetting
指向altsetting数组内部的指针，表示该接口的当前活动设置。

int minor
如果捆绑到该接口的USB驱动程序使用USB主设备号，
这个变量包含USB核心分配给该接口的次设备号。

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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，而且可以在配置之间切换以改变设备的状态。

Linux使用struct usb_host_config结构体来描述USB配置，
使用struct usb_device结构体来描述整个USB设备。

USB设备的逻辑单元之间的关系描述如下：
* 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点

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USB和Sysfs

USB sysfs设备命名方案为：

根集线器-集线器端口号：配置.接口
如：
2-1:1.0

如果有更多的USB集线器的使用，则设备名类似于：

根集线器-集线器端口号-集线器端口号:配置.接口

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USB urb

USB请求块

通过urb来和所有的USB设备通信。

这个请求块使用struct urb结构体来描述

设备中的每个端点都可以处理一个urb队列。

一个urb的典型生命周期：
* 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。

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struct urb

struct urb结构体中USB设备驱动程序关心的字段：

struct usb_device *dev
urb所发送的目标struct usb_device指针。

unsigned int pipe
urb所要发送的特定目标struct usb_device的端点信息。
有一系列函数可以用来设置端点，如usb_sndctrlpipe(),
可以把指定USB设备的指定端点号设置为一个控制OUT端点。

unsingned int transfer_flags
该变量可以被设置为许多不同的位值，
取决于USB驱动程序对urb的具体操作。

void *transfer_buffer
指向用于发送数据到设备(OUT urb)或者从设备接收数据(IN urb)
的缓冲区的指针。

dma_addr_t transfer_dma
用于以DMA方式传输数据到USB设备的缓冲区。

int transfer_buffer_length
transfer_buffer或者transfer_dma变量所指向的缓冲区的大小。

unsigned char *setup_packet
指向控制urb的设置数据包的指针。

dma_addr_t setup_dma
控制urb用于设置数据包的DMA缓冲区。

usb_complete_t complete
指向一个结束处理例程的指针。

void *context
指向一个可以被USB驱动程序设置的数据块。

...

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创建和销毁urb

struct urb *usb_alloc_urb(int iso_packets,int mem_flags);
void usb_free_urb(struct urb *urb);

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中断urb

批量urb

控制urb

等时urb

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提交urb

一旦urb被USB驱动程序正确地创建和初始化之后，
就可以提交到USB核心以发送到USB设备了。

这是通过调用usb_submit_urb函数来完成的。

int usb_submit_urb(struct urb *urb,int mem_flags);

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结束urb：结束回调处理例程

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取消urb

int usb_kill_urb(struct urb *urb);
int usb_unlink_urb(struct urb *urb);

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编写USB驱动程序

驱动程序把驱动程序对象注册到USB子系统中，
稍后再使用制造商和设备标识来判断是否已经安装了硬件。