Linux驱动之USB总线驱动程序框架简析

通用串行总线（USB）是主机和外围设备之间的一种连接。USB总线规范有1.1版和2.0版，当然现在已经有了3.0版本。USB1.1支持两种传输速度：低速为1.5Mbps，高速为12Mbps。USB2.0的传输速度可以高达480Mbps。USB2.0向下兼容USB1.1，可以将USB1.1的设备连接到USB2.0控制器上，也可以把USB2.0的设备连接到USB1.1控制器上。S3C2440的USB主机控制器支持USB1.1总线规范。

USB总线的拓扑结构如下图所示：USB主机控制器（USB Host Controller）通过根集线器（Root Hub）与其他USB设备相连。集线器也属于USB设备，通过它可以在一个USB接口上扩展出多个接口。除根集线器外，最多可以层叠5个根集线器。一条USB主线上最多可以外接127个设备，当然包括根集线器和其他集线器。整个结构图是一个星型结构，一条USB总线上所有设备共享一条通往主机的数据通道，同一时刻只能有一个设备与主机通讯

通过USB主机控制器来管理外接的USB设备。USB控制器实际上由USB控制器硬件+USB控制器软件组成的。USB主机控制器分为3种：UHCI、OHCI、EHCI。UHCI与OHCI支持USB1.1协议；EHCI支持USB2.0协议。UHCI，它的硬件比较简单，所以软件相对就比较复杂；而OHCI，它的硬件具备更多性能，相反的软件做的事情就比较少。S3C2440的USB主机控制器支持OHCI主机控制器。HCI的英文全称为（Host Controller Interface）。

根据以上知识可以知道其实USB驱动程序可以分为两类：USB主机控制器驱动程序（Host Controller Drivers）、USB设备驱动程序（USB device drivers）。它们在内核中的层次如下图所示

USB主机控制器驱动程序提供访问USB设备的接口，它只是一个数据通道，至于这些数据有什么作用，这要靠上层的USB设备驱动程序来解释。USB设备驱动程序使用下层的驱动提供的数据接口来访问USB设备，不需要关心具体的传输细节。在Linux2.6中，USB主机控制器驱动程序已经帮我们写好了，下面就简单分析一下USB主机控制器驱动程序。

1、在分析USB主机控制器驱动程序之前先来看几个问题：

当把你的安卓手机通过USB接口接到电脑上的USB口时，会有如下现象

1、右下角弹出“发现andrido phone”。

2、跳出一个对话框，提示你安装驱动程序。

那么问题便来了

问题1、既然还没有“驱动程序”，为何能知道是“andrido phone”
答1：windows里已经有了USB的总线设备驱动程序，接入USB设备后，是“总线驱动程序”知道你是“andrido phone”，提示你安装的是“设备驱动程序”，USB总线驱动程序负责：识别USB设备，给USB设备找到对应的驱动程序

问题2、USB设备种类非常多，为什么一接入电脑就能识别出来？
答2：PC和USB设备都得遵守一些规范。
比如：USB设备接入电脑后,PC会发出“你是什么？”USB设备必须回答“我是XXX”，并且回答的语言必须是中文；
USB总线驱动程序会发出某些命令获取设备信息（描述符），USB设备必须返回“描述符”给PC。

问题3、PC机上接有非常多的USB设备，怎么分辨它们？
答3：接在USB总线上的每个USB设备都有自己的编号（地址），每一个USB设备接入PC时，USB总线驱动程序都会给它分配一个编号，PC机想访问某个USB设备时，要先发出的命令都含有对方的编号（地址）

问题4、USB设备刚接入PC时，还没有编号，那么PC怎么把“分配的编号”告诉它？
答4：新接入的USB设备的默认编号是0，在未分配新的编号前，PC使用0编号和它通讯。

问题5、为什么一接入USB设备，PC机就能发现它（又没有中断）
答5：USB接口只有4条线：5V、GND、D-、D+。PC的USB口内部D-和D+接有15K的下拉电阻，未接USB设备时为低电平；USB设备的USB口内部，D-或D+接有1.5k的上拉电阻：它一接入就会把PC USB口D-（全速）或D+（高速）拉高，从硬件的角度通知PC有新设备接入。

从以上问答可以看出来USB总线驱动程序的作用可以总结为：（后面会再详细说明）

1、识别设备
2、找到并安装对应的USB设备驱动
3、提供USB读写函数（不了解数据含义）

 2、接着再提出一些USB的概念

1、USB是主从结构的
所有的USB传输都是从USB主机这方发起，USB设备没有主动通知USB主机的能力
例子：USB鼠标滑动一下，立刻产生数据，但是它没有能力通知PC读数据，只能被动的等待PC机被读

2、USB的传输类型：
a、控制传输：可靠，时间有保证，比如USB设备的识别过程
b、批量传输：可靠，时间没有保证，比如：U盘
c、中断传输（还是查询方式）：可靠，实时，比如：USB鼠标
d、实时传输：数据不可靠，实时，比如：USB摄像头

3、USB传输的对象：端点(endpoint)
我们说“读U盘”、“写U盘”可以细化为：把数据写到U盘的端点1，把数据从U盘的端点2里读出数据
除了端点0之外，每一个端点只支持一个方向的数据传输
端点0用于控制传输，既能输出也能输入

4、每一个端点都只有一个传输类型，传输方向

5、术语里、程序里说的输入（IN）、输出（OUT）“都是”基于USB主机的立场说的。
比如鼠标的数据是从鼠标传入PC机的，对应的端点称为“输入端点”

3、通过前面的描述对于USB已经有了大致的了解了，接着通过程序分析来更深入的了解USB设备的识别过程：

把一个USB鼠标接到开发板上会弹出如下信息：

usb -: new full speed USB device using s3c2410-ohci and address
usb -: configuration # chosen from  choice
scsi1 : SCSI emulation for USB Mass Storage devices
拔掉
usb -: USB disconnect, address
再接上
usb -: USB disconnect, address 3usb -: new full speed USB device using s3c2410-ohci and address
usb -: configuration # chosen from  choice
scsi2 : SCSI emulation for USB Mass Storage devices

其中address3，address4就是USB核心程序给USB设备分配的地址。查找“USB device using ”关键字，在drivers/usb/core/hub.c的2186行找到了这句话："%s %s speed %sUSB device using %s and address %d\n"。它位于hub_port_init函数下，层层查找可以发现最终是hub_irq函数导致了hub_port_init被调用。hub_irq不是一个真正的中断处理程序，它只是集线器USB设备的数据接收完成后的回调函数，其实drivers/usb/core/hub.c也不过是一个USB设备驱动程序而已。

drivers/usb/core/hub.c程序先放到一边，待会再来分析它。先尝试找一下USB控制器的驱动程序，在drivers\usb\host\Ohci-s3c2410.c找到了这个驱动程序， 它以平台设备驱动程序为框架，drivers\usb\host\Ohci-s3c2410.c属于driver层

static struct platform_driver ohci_hcd_s3c2410_driver = {
    .probe        = ohci_hcd_s3c2410_drv_probe,//一旦匹配devices则被调用
    .remove        = ohci_hcd_s3c2410_drv_remove,
    .shutdown    = usb_hcd_platform_shutdown,
    /*.suspend    = ohci_hcd_s3c2410_drv_suspend, */
    /*.resume    = ohci_hcd_s3c2410_drv_resume, */
    .driver        = {
        .owner    = THIS_MODULE,
        .name    = "s3c2410-ohci",
    },
};

接着搜索“s3c2410-ohci”，找到了devices层，位于arch\arm\plat-s3c24xx\Devs.c

struct platform_device s3c_device_usb = {
    .name          = "s3c2410-ohci",
    .id          = -,
    .num_resources      = ARRAY_SIZE(s3c_usb_resource),
    .resource      = s3c_usb_resource,
    .dev              = {
        .dma_mask = &s3c_device_usb_dmamask,
        .coherent_dma_mask = 0xffffffffUL
    }
};

到这里我们还没有找到插上USB设备后第一个运行的函数，我们猜测这个函数必定是一个中断，USB控制器接收到数据后将会产生一个中断给MCU，然后MCU再进行处理。现在我们就是要找到这一个中断函数，在drivers/usb/core/hub.c中找到了usb_add_hcd函数，它位于usb_hcd_s3c2410_probe函数下，这个函数一旦有USB控制器设备匹配就会被调用。

static int usb_hcd_s3c2410_probe (const struct hc_driver *driver,
                  struct platform_device *dev)
{
    ...
    ...

    retval = usb_add_hcd(hcd, dev->resource[].start, IRQF_DISABLED);//注册OHCI控制器中断
    if (retval != )
        goto err_ioremap;

    ...
    ...
}

继续往下看usb_add_hcd函数，它位于drivers\usb\core\hcd.c下

int usb_add_hcd(struct usb_hcd *hcd,
        unsigned int irqnum, unsigned long irqflags)
{
    ...
    ...
        if ((retval = request_irq(irqnum, &usb_hcd_irq, irqflags,
                hcd->irq_descr, hcd)) != ) {//中断USB中断
            dev_err(hcd->self.controller,
                    "request interrupt %d failed\n", irqnum);
            goto err_request_irq;
        }
        hcd->irq = irqnum;
    ...
    ...
} 

在这里看到了调用注册中断函数，并且它的中断处理回调函数为usb_hcd_irq，它同样位于drivers\usb\core\hcd.c下

irqreturn_t usb_hcd_irq (int irq, void *__hcd)
{
    struct usb_hcd        *hcd = __hcd;
    int            start = hcd->state;

    if (unlikely(start == HC_STATE_HALT ||
        !test_bit(HCD_FLAG_HW_ACCESSIBLE, &hcd->flags)))
        return IRQ_NONE;
    if (hcd->driver->irq (hcd) == IRQ_NONE)
        return IRQ_NONE;

    set_bit(HCD_FLAG_SAW_IRQ, &hcd->flags);//设置中断标志

    if (unlikely(hcd->state == HC_STATE_HALT))
        usb_hc_died (hcd);
    return IRQ_HANDLED;
}

这样，通过usb_hcd_irq 函数的作用，最终将会调用到drivers/usb/core/hub.c下的hub_irq函数。之前说过drivers/usb/core/hub.c其实也是一个USB设备驱动程序，它其实是一个根集线器驱动程序。这里直接列出匹配USB设备驱动程序的过程。

hub_irq
    kick_khubd
        hub_thread
            hub_events
                hub_port_connect_change
                    usb_alloc_dev(hdev, hdev->bus, port1);
                        dev->dev.type = &usb_device_type;

                    choose_address(udev);  //给新设备分配编号（地址）

                    hub_port_init      //usb 1-1: new full speed USB device using s3c2410-ohci and address 3
                        hub_set_address  //把编号（地址）告诉USB设备
                        usb_get_device_descriptor(udev, );//获取设备描述符
                        usb_get_device_descriptor(udev, USB_DT_DEVICE_SIZE);

                    usb_new_device(udev);
                        usb_get_configuration(udev);//把所有的描述符都读出来并解析
                            usb_parse_configuration

                        device_add//把device放入usb_bus_type的dev链表，
                             //从usb_bus_type的driver链表中取出usb_driver
                             //把usb_interface和usb_driver的id_table比较
                             //如果能匹配，调用usb_driver的probe函数

大致总结一下：

1、当接上USB鼠标后，USB主机控制器检查到D-或D+接口变高知道了有设备接入。

2、USB主机控制器把新分配的编号告诉USB设备，这时候还是以0地址通讯的。

3、USB主机控制器以0地址从USB设备获得设备描述符的前8个字节，从这8个字节可以知道后面所有设备描述符总共的大小

4、知道了剩下设备描述符的大小，就可以将剩余的设备描述符都读出来

5、接着把device放入usb_bus_type的dev链表

6、从usb_bus_type的driver链表中取出usb_driver

7、把usb_interface和usb_driver的id_table比较（对于USB鼠标最终比较的是接口描述符下的bInterfaceClass;bInterfaceSubClass;bInterfaceProtocol;三个信息，中文翻译为设备类型，设备子类型，设备协议）

8、如果能匹配，调用usb_driver的probe函数

 从上面总结可以看出，要写USB设备的驱动程序就需要对usb_driver结构体进行初始。

USB各个描述符的关系如下，具体描述符结构将在下一节讲解

以上就是USB总线驱动程序的框架，USB设备是一个非常复杂的东西，这里只是简单的描述，并未深入理解。目的是为了编写USB设备驱动程序。