centos 下USB驱动基础

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USB是主机和外围设备之间的一种连接。USB最初是为了替代各种各样的不同的接口的低速总线而设计的。(例如:串口,并口,键盘连接等)。它以单一类型的总线连接各种不同类型的设备。

USB拓扑机构不是以总线方式的。而是一棵由几个点对点的连接构成的树。连接线由4根电缆组成(电源,地线,两个数据线)

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。也就是说:一个USB设备在没有主控制器要求的情况下是不能发送数据的。

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设备,就不需要一个特殊的驱动程序。这些不同的特定类型称之为类(class).例如:存储设备,键盘,鼠标,游戏杆,网络设备等。对于不符合这些类的其他设备。则需要对此设备编写特定driver.



USB设备构成:
Linux Kernel提供了USB Core来处理大部分USB的复杂性。写USB驱动,Sam觉得就是把USB硬件设备和USB Core之间给沟通起来。

USB协议把一个硬件USB设备用以下各个定义勾画出来。

概念一. USB 端点(endpoint)
USB endpoint只能往一个方向传送数据。从主机到设备(输出Endpoint)或从设备到主机(输入Endpoint)。一个Endpoint可以看作一个单向的管道。

有四种类型Endpoint,他们的区别在于传送数据的方式:
控制Endpoint:
用来控制对USB设备不同部分的访问。他们通常用于配置设备,获取设备信息,发送命令到设备,或者获取设备的状态报告。每个USB设备都有一个名为:Endpoint0的控制Endpoint。USB Core使用该Endpoint0在插入时进行设备的配置。

中断Endpoint:
每当USB主控制器要求设备传输数据时,中断Endpoint就以一个固定的速率来传送少量的数据。
USB Keyboard和Mouse通常使用中断Endpoint。
请注意,中断Endpoint和中断不同,它还是无法主动向USB主控制器发送数据。二是需要等待USB主控制器轮询。

批量Endpoint:
Bulk Endpoint用来传输大批量的数据。USB规范不保证数据能在规定时间内传输完成。但保证数据完整性。通常打印机,存储设备和网络设备使用之。

等时Endpoint:
用来传输大批量数据,但数据是否能够到达,怎无法保证。
通常数据收集设备会使用之。

Sam觉得,其实一个设备有多少个以及什么类型的Endpoint。其实是硬件设备在制造阶段已经定好的。 USB Core只是去读取了这些信息,并把这些信息传送给USB driver.

Linux Kernel中使用struct usb_host_endpoint来描述USB Endpoint。但其实其中的structusb_endpoint_descriptor才是真正的描述Endpoint的。
struct usb_endpoint_descriptor
{
__u8 bLength;
__u8 bDescriptorType;
__u8bEndpointAddress;
__u8bmAttributes;
__le16wMaxPacketSize;
__u8bInterval;
__u8 bRefresh;
__u8 bSynchAddress;
} __attribute__ ((packed));

bEndpointAddress:
//此Endpoint USB地址。它还包含了Endpoint方向信息。通过掩码USB_DIR_OUT和USB_DIR_IN判断是输出Endpoint还是输入Endpoint。

bmAttributes;
Endpoint Type,也可以通过掩码:USB_ENDPOINT_XFER_ISOC等判断此Endpoint是中断,等时,控制还是批量Endpoint。

wMaxPacketSize;
该Endpoint一次可以处理的最大字节数。虽然driver可以传送更大的数据,但实际传送时,还是会分割成这个大小。

bInterval:
如果是中断Endpoint,它就是Endpoint的间隔设置。也就是说,中断请求间隔时间。以毫秒为单位。


概念二:接口(Interface)
数个Endpoint被捆绑为一个USB Interface。
一个 USB Interface只对应一个逻辑连接,例如鼠标,键盘或者音频流。一个USB设备可以对应多个Interface。例如Sam见过的鼠标键盘一起的设备,就有2个Interface,一个键盘,一个鼠标。
另外,有些USB扬声器有2个Interface,一个键盘,一个音频流。

注意:每个USB drver只处理一个USB Interface。所以,一个设备也许会对应多个driver.
所以,USB Core在处理USB设备插入时,会针对不同的Interface唤醒它认为合适的driver。并以参数的形式把interface传递给drver.

Linux Kernel使用struct usb_interface来描述USB Interface。但Interface参数照例是其中的usb_interface_descriptor。

struct usb_interface
{
struct usb_host_interface *altsetting;
struct usb_host_interface *cur_altsetting;
unsigned num_altsetting;
struct usb_interface_assoc_descriptor *intf_assoc;
int minor;
enum usb_interface_condition condition;
unsigned is_active:1;
unsigned needs_remote_wakeup:1;
struct device dev;
struct device *usb_dev;
int pm_usage_cnt;
};

struct usb_host_interface *altsetting;
Interface结构体数组,包含了所有可能用于该Interface的可选配置。
struct usb_host_interface *cur_altsetting;
可选配置数
unsigned num_altsetting;
指向altsetting的指针。当前的Active 设置。

usb_interface_descriptor:Interface描述符

struct usb_interface_descriptor{
__u8bLength;

//描述符的字节长度。协议里规定,每个描述符必须以一个字节打头来表明描述符的长度。接口描述符的bLength应该是9

__u8bDescriptorType;

//描述符的类型。各种描述符的类型都在ch9.h, * Descriptor types ... USB 2.0 spec table 9.5

__u8bInterfaceNumber;

//接口号。每个配置可以包含多个接口,这个值就是它们的索引值

__u8bAlternateSetting;

__u8bNumEndpoints;

//接口拥有的端点数量。这里并不包括端点0

__u8bInterfaceClass;

//此Interface所属Class。例如:HID=0x03

__u8bInterfaceSubClass;

//此值基于bInterfaceClass之上。表明在某个Interface class中的子class。例如:HID中有:USB_INTERFACE_SUBCLASS_BOOT

__u8bInterfaceProtocol;

//同上,HID中就有USB_INTERFACE_PROTOCOL_MOUSE

__u8iInterface; //字符串描述符,放一些描述性厂商信息。


} __attribute__ ((packed));//__attribute__,意思就是告诉编译器,这个结构的元素都是1字节对齐的,不要再添加填充位了。



概念三:配置
一个或多个USB Interface被捆绑为配置。一个USB设备可以有多个配置,并且可以在多个配置之间切换。
配置:struct usb_host_config
USB设备:usb_device.

综上所述:
1个USB设备有一个或多个配置
1个配置有一个或多个Interface
一个Interface有一个或多个设置
Interface没有或有多个Endpoint



USB URB
Linux Kernel中的USB代码通过 urb(USB 请求快)与所有的USB设备通信。
urb被用来以异步方式从特定的USB设备的特定USB Endpoint上接收数据,或往特定的USB设备的特定USB Endpoint上发送数据。

urb是由USB driver创建的。并分配给特定USB设备的特定Endpoint。并由USB driver提交给USB Core。

一:创建urb.
urb不能在driver中静态的定义。因为这样会破坏USB Core对urb的计数机制。所以必须使用:
usb_alloc_urb函数来创建。
struct urb *usb_alloc_urb(int iso_packets, gfp_t mem_flags)
第一个参数是:等时数据包的数量。