LDD-USB

USB基本概念

---

USB是主机（host）用来和外围设备进行连接的总线。主机的USB控制器（controller）负责寻味USB设备是否需要发送数据；因此，USB设备在控制器询问之前，无法主动发送数据——USB很容易实现PnP。

下图是USB驱动结构图，在USB控制器之上，还有一个USB core负责接收驱动发送的请求，向控制器发送相应的命令，简化驱动的工作。

下图是USB设备的系统结构图，主要由Configuration，Interface，Endpoint三部分组成。

终端（Endpoint）是进行USB传输最基本的形式，内核数据结构：struct usb_host_endpoint，struct usb_endpoint_descriptor。一个终端只能进行单方向的数据传输——host->device | device->host。终端有四种类型：

1. CONTROL：用来配置设备，endpoint 0
2. INTERRUPT：以固定的速率传输少量数据，键盘和鼠标；USB协议要保证传输的带宽
3. BULK：传输大量的数据，USB保证数据不会丢失，但是不保证带宽
4. ISOCHRONOUS：传输大量的数据，数据可能丢失，视频或音频设备

接口（Interface）是终端的集合，一个接口处理一种类型的USB连接，例如鼠标，键盘，视频流。每个USB驱动控制一个接口，一个设备可能有多个接口，每个接口有多个设置选项，第一个设置编号0。内核数据机构：struct usb_interface，由USB core传给驱动控制。

配置（Configuration）是接口的集合，一个设备可能有多个配置，通过切换配置来改变设备的状态，每次只能激活一个配置。内核数据结构：struct usb_host_config，USB设备struct usb_device。interface_to_usbdev可以将struct usb_interface转化为struct usb_device。

 

USB和sysfs

---

LDD中说struct usb_device在路径/sys/devices/pci0000:00/0000:00:09.0/usb2/2-1，鼠标的接口在/sys/devices/pci0000:00/0000:00:09.0/usb2/2-1/2-1:1.0下，我在自己的centos7-1803下没有找到（/sys/devices/pci0000:00/00000:00:14.0/usb3/3-0:1.0），最后的文件夹命名方法如下：root_hub-hub_port:config.interface

LDD还说可以在usbfs——/proc/bus/usb/devices下找到sysfs下的所有信息，还有系统中USB设备的可选配置以及终端的信息，我还是没有找到，但是在/pro/bus/input/devices下可以看到相关的输入设备的信息，包括鼠标。

 

 

USB urbs（USB request block）

---

内核中的USB代码通过urb和USB设备进行通信，数据结构：struct urb。urb通过异步的方式和USB终端进行通信，和文件系统的异步IO中的kiocb结构体和网络中的struct skbuff类似。一个终端可能有多个urb，一个urb可能被不同的终端使用。urb的使用方法如下：

1. 由USB设备驱动创建
2. 分配给一个设备的某个终端
3. 由设备驱动提交给USB core
4. 由USB core提交给某个USB host controller
5. USB主机控制器处理后，进行一次 USB传输
6. urb完成后，USB主机控制器通知设备驱动

提交urb的驱动可以在任何时候取消urb，或者在设备被移除后，由USB core取消。urb动态创建，内部包含一个引用计数，在最后一个使用者释放后自动销毁。

 

struct urb包含该urb所属的USB设备和终端信息：和四种终端类型相对应，每个urb可以通过对应的函数调用设为8种类型中的一个（每种终端类型包括收发两种类型）；传送的标志位；传送的缓冲区；dma缓冲区；完成后调用的函数；当前的状态；实际传送的数据大小。

struct urb必须通过usb_alloc_urb进行动态创建，保证USB core能够正确处理urb的引用计数；释放通过usb_free_urb。

urb创建后需要通过相应的初始化函数进行初始化，isochronous urb需要手动初始化。

初始化完成后，调用usb_submit_urb提交；提交后，无法访问urb结构体的数据，直到complete函数被调用。

urb可能以一下三种方式完成，并且调用complete函数：

1. urb成功发送到设备，设备正确完成请求：成功向设备发送数据，设备成功返回请求的数据
2. 传送数据时设备发生错误
3. urb从USB core移除：驱动通过usb_unlink_urb、usb_kill_urb取消已经提交的urb，或者设备从系统中移除。

两种取消urb的方法种，kill会销毁urb，通常作为设备移除的回调函数；unlink不会等待urb完全停止才返回， This is useful for stopping the urb while in an interrupt handler or when a spinlock is held, as waiting for a urb to fully stop requires the ability for the USB core to put the calling process to sleep。LDD中的原话，不是很理解。调用unlink函数时，urb中的URB_ASYNC_UNLINK标志必须设置。

 

 

struct usb_driver

---

USB驱动的主要数据结构，包括驱动的拥有者（owner）、名称（name）、可以接受的设备id（id_table）、回调函数proble、disconnect，以及一些不常用的回调函数ioctl、suspend、resume。

之后（init）调用usb_register将struct usb_driver注册到USB core；卸载（exit）驱动时调用usb_deregister将驱动从内核卸载。

回调函数：设备安装后，如果USB core认为该设备可以通过此驱动处理，就会调用probe函数；probe需要根据传递的设备信息判断该设备是否真的适合自己。驱动不能再控制设备时，调用disconnect函数，并进行清理工作。

两个回调函数都处于USB hub kernel thread，所以可以sleep。为了使probe时间最短，推荐在用户打开设备时完成主要工作——USB core通过一个线程进行USB设备的添加和移除。

probe函数需要保存自己所需设备信息到局部变量，作为返回值返回。

如果USB驱动没有用户和设备进行交互的子系统，可以通过USB的major number来使用传统的字符驱动的接口。这样的话，驱动必须在probe函数调用usb_register_dev，在disconnect函数调用usb_deregister_dev。

驱动收到数据时（通常在write函数），使用urb传输数据，可以利用dma进行加速。设置完毕urb将其提交给USB core。core完成urb后，调用complete函数。complete函数在中断上下文中执行，不能进行内存分配（使用GFP_ATOMIC来分配内存）、持有信号量等可能导致程序休眠的操作。

有时候，我们只想通过USB传输很简单的数据，不想一步步的创建、初始化urb，可以通过以下两个函数：

1. usb_bulk_msg：创建一个USB bulk urb，然后发送给制定的设备，等待其完成后返回
2. usb_control_msg：创建一个USB control urb，发送给指定设备

两个函数都不能在终端上下文或者持有自选锁时调用，而且调用后无法取消；对应的disconnect函数必须在等待其返回后才能进行卸载操作。

 

一些获取USB数据结构的函数usb_get_decriptor、usb_get_string、usb_string的代码实现位于drivers/usb/core/message.c。