Linux之 USB驱动框架-USB总线(2)

一、linux 下，通过系统查看usb 总线

ls /sys/bus/usb/devices/也包含了很多信息：

其中usb1、usb2代表系统注册了2条usb总线，即有2个USB主机控制器，1和2用于区分不同总线，是USB的总线号。

每插入一个usb设备，/sys/bus/usb/devices/就有新的文件夹生成。其中“2-1:1.0”代表usb总线号为2，devpath为1，配置号为1，接口号为0，即2号总线的1号端口的设备，使用的是1号配置，接口号为0。而“2-1:1.0”代表的是一个hub设备，可根据下面得知：

/sys/bus/usb/devices # cat 2-1:1.0/bInterfaceClass
09（其中09代表Hub，又如，08代表mass storage class(U盘...)等）

       那么当hub的端口上又接入usb设备，那么在linux下又怎么表示呢？我们可以看到还有一个“2-1.1:1.0”，这就是利用了devpath的作用，顶级设备的devpath就是其连在Root Hub上的端口号，而次级的设备就是其父hub的devpath后面加上其端口号，即2-1:1.0是一个Hub，那么它下面的1号端口的设备就是的上面的“2-1.1:1.0”，2号端口的设备就可以是“2-1.2:1.0”等

总之：该文件下面的设备信息的命名规则遵循下面2条原则，内核中的USB设备命名规则也遵循下面2条原则。

1、usbn: 表示USB总线，如果是USB3.0控制器，则会有2条总线，分别是usbn和usbn+1。
2、bus-port.port…:configuration:interface（总线-端口.端口…:配置:接口）: Root Hub的端口号为0，其他Hub的下行端口从1开始编号。
下图是一个示例，设备信息可进入文件查看。

usb1表示USB1总线。
1-0:1.0表示usb1总线的Root Hub，使用配置1和接口0。
1-1表示USB1总线Root Hub下面接的设备，端口编号为1，属于第1级Hub。
1-1:1.0表示第1级Hub使用配置1和接口0。
1-1.1表示第1级Hub的端口1。
1-1.1:1.0表示第1级Hub的端口1下面的设备使用配置1和接口0。
1-1.3表示第1级Hub的端口3。
1-1.3:1.0表示第1级Hub的端口3下面的设备使用配置1和接口0。

 二、USB总线框架

usb驱动架构图：

2.1、USB core

USBCore这个模块是纯软件部份，并不代表一个设备，是独立于硬件的合同栈，它是所有USB设备赖以生存的模块，即USB子系统的核心。代码坐落kernel/drivers/usb/core目录下。

USBCore为设备驱动程序提供服务，提供一个用于访问和控制USB硬件的插口，而不用考虑系统当前使用的哪种HOSTController。USBCore将用户的恳求映射到相关的HCD，用户不能直接访问HCD。USBCore就是HCD与USB设备的桥梁。

2.2 USB主机控制器驱动

1、OHCI（Open Host Controller Inerface）：微软主导的低速USB1.0（1.5Mbps）和全速USB1.1（12Mbps），OHCI接口的硬件简单，软件复杂。

2、UHCI（Universal Host Controller Interface）：Intel主导的低速USB1.0（1.5Mbps）和全速USB1.1（12Mbps），而UHCI接口的软件简单，硬件复杂。

3、EHCI（Enhace Host Controller Interface）：高速USB2.0（480Mbps）。

4、xHCI（eXtensible Host Controller Interface）：USB3.0（5.0Gbps），采用了9针脚设针，同时也支持USB2.0、1.1等。

 2.3 USB设备描述符

USB协议中共定义了以下四种描述符：

1) 设备描述符

2) 配置描述符

3) 接口描述符

4) 端点描述符

其关系如下图所示：

 2.4 主机端的驱动架构

 USB核心(USBD)是整个USB驱动的核心部分，从上图可知，一方面USBD对接收到USB主机控制器的数据进行处理，并传递给上层的设备端驱动软件；同时也接收来自上层的非USB格式数据流，进行相应的数据处理后传递给USB主机控制器驱动。

上图中 HCD 是通过platform 总线注册的主机控制器驱动 和root hub driver。

2.5 主机驱动调用流程

USB数据传输都以URB(USB Request Block)请求、URB生成、URB递交、URB释放为主线。从上图可知，当加载控制器驱动之后，注册根据集线器，hub和hcd驱动成为一个整体。接着，主机通过控制传输获取设备的控制描述符等信息，接着详述整个控制传输的流程。usb_submit_urb依据是否连接到根集线器来决定调用urb_enqueue或rh_urb_enqueue函数。

USB从设备通过集线器或根集线器连接到USB主机上。比如：主机通过根集线器与外界进行数据交互，根集线器通过探测数据线状态的变化来通知USB主机是否有USB外围设备接入。

在主机端控制器驱动加载的过程中，注册了根集线器，然后匹配了相应的hub驱动程序，同时完成了对Hub的轮询函数和状态处理函数的设置。这样，一旦hub集线器的状态发生变化，就会产生相应的中断，主机端控制器就会执行相应的中断处理函数，下图为hub驱动程序的流程图。

 

 USB Core中的usb_init()函数中完成了对hub线程(khubd，在usb_hub_init函数中真正地创建)的创建，然后完成相应设备的探测。主机端控制器驱动进行探测时，将hub驱动和主机端控制器驱动结合在一起，相互之间完成调用。 相对于大容量存储设备与主机之间通过控制/批量传输，集线器与主机之间通过中断/控制方式完成数据交互。

补充：对于内核 5.10 高版本内核，已经不使用 khubd 了， 使用的是hub_wq 工作队列，这个可以看我后面的文章有分析。

三、USB初始化过程

USB驱动作为一个系统，集成了众多的驱动模块，注册过程非常复杂。从USB系统的角度来说，USB主机驱动主要包含：

1) USB核驱动

2) 主机控制器驱动

3) 集线器驱动

驱动的加载执行流程如下图所示：

USB初始化过程

1、 USB Core的初始化

USB驱动从USB子系统的初始化开始，USB子系统的初始化在文件driver/usb/core/usb.c

subsys_initcall(usb_init);

module_exit(usb_exit);

subsys_initcall()是一个宏，可以理解为module_init()。由于此部分代码非常重要，开发者把它看作一个子系统，而不仅仅是一个模块。USB Core这个模块代表的不是某一个设备，而是所有USB设备赖以生存的模块。在Linux中，像这样一个类别的设备驱动被归结为一个子系统。subsys_initcall(usb_init)告诉我们，usb_init才是真正的初始化函数，而usb_exit将是整个USB子系统结束时的清理函数。

2、 主机控制器的初始化及驱动执行(以EHCI为例)

module_init(otg_init); 模块注册

static init __init otg_init(void);

platform_driver_register(); 平台注册

static int __init otg_probe(struct platform_device *pdev); 探测处理函数

reg = platform_get_resource(pdev, IORESOURCE_MEM, 0); 获取寄存器信息

data = platform_get_resource(pdev,IORESOURCE_MEM, 1); 获取内存信息

irq = platform_get_irq(pdev,0); 获取中断号

usb_create_hcd(&otg_hc_driver, &pdev->dev, pdev->dev.bus_id);

分配和初始化HCD结构体。对设备数据空间进行分配，初始化计数器、总线、定时器、hcd结构体各成员值。

ret = usb_add_hcd(hcd,irq,SA_INTERRUPT);

完成HCD结构体的初始化和注册。申请buffer，注册总线、分配设备端内存空间，向中断向量表中申请中断，注册根集线器，对根集线器状态进行轮询。

3、 注册集线器

register_root_hub(hcd);

在USB系统驱动加载的过程中，创建了集线器的线程(khubd)，并且一直查询相应的线程事务。HCD驱动中，将集线器作为一个设备添加到主机控制器驱动中，然后进行集线器端口的初始化。在USB主机看来，根集线器本身也是USB主机的设备。USB主机驱动加载完成之后，即开始注册根集线器，并且作为一个设备加载到主机驱动之中。

USB主机和USB设备之间进行数据交互，USB设备本身并没有总线控制权，U盘被动地接收USB主机发送过来的信息并做出响应。USB主机控制器与根集线器构成了主机系统，然后外接其它的USB设备。

为了更好地探测到根集线器的状态变化，USB主机控制器驱动增加了状态轮询函数，以一定的时间间隔轮询根集线器状态是否发生变化。一旦根集线器状态发生变化，主机控制器就会产生相应的响应。

USB主机和USB设备之间的数据传输以URB(USB Request Block)的形式进行。

4、URB传输过程

USB初始化过程中，无论是主机控制器驱动还是根集线器驱动，都是通过URB传输获取设备信息。

4.1 申请URB

struct urb *usb_alloc_urb(int iso_packets, gfp_t mem_flags)

为urb分配内存并执行初始化。

4.2 初始化URB

初始化具体的urb包

static inline 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_fn,

void *context)

static inline 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_fn,

void *context)

static inline void usb_fill_int_urb(struct urb *urb,

struct usb_device *dev,

unsigned int pipe,

void *transfer_buffer,

int buffer_length,

usb_complete_t complete_fn,

void *context,

int interval)

不同的传输模式下，驱动为之申请不同的URB。其中，Linux内核只支持同步传输外的三种传输事件，ISO事务需要手工进行初始化工作。控制传输事务、批量传输事务、中断传输事务API如上所示。

三种事务传输模式下的URB初始化函数有很多相似之处，主要参数含义如下：

• urb: 事务传输中的urb

• dev: 事务传输的目的设备

• pipe: USB主机与USB设备之间数据传输的通道

• transfer_buffer: 发送数据所申请的内存缓冲区首地址

• length: 发送数据缓冲区的长度

• context: complete函数的上下文

• complete_fn: 调用完成函数

• usb_fill_control_urb()的setup_packet: 即将被发送的设备数据包

• usb_fill_int_urb()的interval: 中断传输中两个URB调度的时间间隔

5、提交URB

URB初始化完成之后，USBD开始通过usb_start_wait_urb()提交urb请求(它调用usb_submit_urb来真正的发送URB请求)，添加completition函数。

接下来，从message.c传到主机控制器(hcd.c)，开始真正的usb_hcd_submit_urb()。此时，根据是否为根集线器，进入不同的工作队列。

usb_start_wait_urb->usb_submit_urb->usb_hcd_submit_urb

a) root_hub传输

若为root hub，将调用rh_urb_enqueue()，共有两种传输事务(控制传输和中断传输)

static int rh_urb_enqueue (struct usb_hcd *hcd, struct urb *urb)

{

if (usb_endpoint_xfer_int(&urb->ep->desc)) // 中断传输

return rh_queue_status (hcd, urb);

if (usb_endpoint_xfer_control(&urb->ep->desc)) // 控制传输

return rh_call_control (hcd, urb);

return -EINVAL;

}

b) 非root_hub传输

对于非常root_hub传输，它调用:

status = hcd->driver->urb_enqueue(hcd, urb, mem_flags);

c) 批量传输

root_hub本身没有批量传输流程，按照控制传输流程，控制传输最终要通过switch语句跳转到Bulk-Only传输流程中。

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