嵌入式开发记录-day37 USB驱动认识

1、USB驱动的框架

　　1、USB主机端和设备端

USB设备端的设备注册是在设备端中；USB主控制器的设备注 册需要在平台文件中注册

 

 

　　1、USB HCD这一层涉及到硬件部分，因此驱动会有差异；

　　2、USB CORE：这层完全是脱离硬件部分，纯软件实现，因此是Linux内核提供的，那么与硬件通信，就需要USB HCD给上层提供供访问的接口；

　　3、USB DEVICE DRIVER:分为两大类，存储设备（例如U盘）和HID（人机界面）

2、USB主控制器驱动主要的功能

　　1、解析和维护URB ：URB主控制实现，USB应用与硬件进行通信的中间站；

　　2、负责不同USB 传输类型的调度工作 ：USB设备有很多种类，都需要传输数据；

　　3、负责USB 数据的实际传输工作 –

　　4、 实现虚拟USB HUB（集线器）的功能

3、USB驱动常用的目录

　　1、  usb核心层驱动：drivers/usb/core/ –这一部分对应上面相应的结构，这部分驱动是通用的；

　　　　USB串口驱动：drivers/usb/serial/ – 在这里可以添加自己的串口驱动

　　　　usb主控制器驱动：drivers/usb/host/-  驱动源码：ehci-s5p.c – 设备注册：plat-s5p/dev-ehci.c 一些比较重要的驱动大多数都不在平台文件下；

　　2、总结

　　1、USB设备驱动分为：USB主控制器、USB主控制器驱动（芯片原厂出方案）、USB Core（Linux内核中通用的）和 USB设备驱动
　　2、 主控制器不同厂商会使用不同型号，导致这部分代码会有区别。在驱 动分层的时候，需要给USB Core提供统一的接口。 – 这样可以最大程度的来实现代码复用

　　3、芯片厂商提供的方案中，会有和硬件匹配的软件方案，这部分都会做 好。USB Core是这部分代码是Linux官方提供，全部通用。USB设备驱 动是外部USB设备制造商提供驱动，这部分可能会有少量的修改--前面 移植教程做的事情

4、USB的枚举流程

　　1、USB设备插上以后，USB设备初始化的过程；

　　2、USB的硬件设计

 

 

 　　　　1、在USB主机的DATA+和DATA-差分线上都有下拉15K的电阻。因此在没有设备接入的时候，两根线上的电平都是低电平；

　　　　2、在从机端，USB设备端（鼠标键盘等），都有1.5K的上拉电阻。当USB接 口空置的时候，显然集线器上检测到的DATA+和DATA-都是低电平，当 USB设备插入的时候，就会被拉高（1.5K 和15K电阻分压，在15K电阻上的电压），这个时候是产生低电平到高电平的变 化。 

　　　　3、高速设备D+上拉，低速设备D-上拉，是指外部设备，鼠标键盘都是低速设备；

　　3、USB的软件枚举流程

　　USB枚举主机控制器和集线器完成了大部分的工作

　　　　1、热拔插检测 - 主要检测电平的变化；

　　　　2、主机发送Get_Status请求 - 

　　　　3、 主机发送Set_Feature请求，集线器重启端口 - 

　　　　4、 集线器在设备和主机之间建立一个信号通路 - 

　　　　5、 集线器检测设备速度 - 根据上下拉电阻，检测电平，来判断是高低速设备；

　　 前五个步骤中，主要工作是检测到USB设备、向主机报告在某个时间 点有一个USB设备接入、集线器重启接入USB的端口、集线器在主控制 器和USB设备之间建立一个信号通路，最后集线器检测设备速度。主 控制器和USB设备之间建立了一个信号通路，而且主控制获取了设备 是高速设备还是低速设备的信息。

　　 在所有的USB设备中（不管是鼠标、键盘、蓝牙，还是网卡、U盘等等） ，设备内部都有一个存储器，用于保存设备的信息。例如：生产厂商、 产品的ID等等

　　　　6、 获取最大数据包长度 •

　　　　7、 主机分配一个新的地址给设备 •

　　　　8 、主机重新发送Get_Device_Descriptor命令，读取完整设备描述符 - 厂商ID 设备ID等信息

　　　　9 、主机发送Get_Device_Configuration命令，获取完整配置信息 - 设备的速度等信息；

　　　　10、主机发送Get_Device_String命令，获得描述字符集（unicode）- 根据返回的描述字符集获取设备的信息

　　　　11、 主机展示新设备信息 – 插上USB设备，就到这一步了，没有驱动也可以执行到这一步；

　　　　　　打印USB设备的信息！到这一步都不需要从机设备的驱动 –

　　　　　　驱动移植的时候需要这里打印的两个ID号 •

　　　　12、 主设备（PC）判断能否提供该类USB的驱动

　　　　　　 需要匹配两个ID号，在加载USB设备驱动的时候，会将这两个ID号添加到 USB设备链表中，最终会在这一步进行匹配。 •

　　　　13、 主机发送Set_Configuration（x）命令，请求为设备选择一个配置　　　　　　

　　　　　　如果在内核中发现了和设备一致的ID，会进行初始化工作，驱动就运行起 来，可以和从机端进行通信了。

　　4、小结

　　　　USB设备枚举流程中，大部分工作都是主控制器和集线器完成。在主 控制器和集线器完成基本工作之后，得到非常重要的描述符信息“设 备描述　　符、配置描述符、接口描述符、端点描述符”，系统根据获取 的这些信息，结合内核来判断“内核中是否有对应的USB设备的驱动” ，假如有，则将这些信息传递给USB设备驱动，最后USB设备驱动利用 描述符信息来进行初始化工作。

　　　　 需要学习和掌握的USB驱动知识，最重要的部分是“USB描述符”和 “USB设备外部驱动”。

　　　　 设备描述符用于probe，也就是初始化

　　　　 配置描述符、接口描述符、端点描述符最终是为了实现urb(类比 i2c_transfer等等)功能，也就是主机和从机进行数据通信

5、USB的描述符

　　1、描述符所在的文件路径，描述符有四种，在“include\linux\usb\ch9.h”头文件中 ，有四种结构体；

　　　　设备描述符：usb_device_descriptor –

　　　　配置描述符：usb_config_descriptor –

　　　　接口描述符：usb_interface_descriptor –

　　　　端点描述符：usb_endpoint_descriptor

　　2、描述符结构体说明

// 结构体在include\linux\usb\ch9.h中定义

// 设备描述符结构体
/* USB_DT_DEVICE: Device descriptor */
struct usb_device_descriptor {
__u8 bLength; //该描述符结构体大小（18 字节）
__u8 bDescriptorType; //描述符类型（本结构体中固定为0x01)
__le16 bcdUSB; //USB 版本号
__u8 bDeviceClass; //设备类代码（由USB 官方分配）
__u8 bDeviceSubClass; //子类代码（由USB 官方分配）
__u8 bDeviceProtocol; //设备协议代码（由USB 官方分配）
__u8 bMaxPacketSize0; //端点0 的最大包大小（有效大小为8,16,32,64）
__le16 idVendor; //生产厂商编号（由USB 官方分配）
__le16 idProduct; //产品编号（制造厂商分配）
__le16 bcdDevice; //设备出厂编号
__u8 iManufacturer; //设备厂商字符串索引
__u8 iProduct; //产品描述字符串索引
__u8 iSerialNumber; //设备序列号字符串索引
__u8 bNumConfigurations; //当前速度下能支持的配置数量  可以连接多少个配置
} __attribute__ ((packed));


// 配置描述符结构体
struct usb_config_descriptor {
__u8 bLength; //该描述符结构体大小
__u8 bDescriptorType; //描述符类型（本结构体中固定为0x02)
__le16 wTotalLength; //此配置返回的所有数据大小
__u8 bNumInterfaces; //此配置的接口数量
__u8 bConfigurationValue; //Set_Configuration 命令所需要的参数值
__u8 iConfiguration; //描述该配置的字符串的索引值
__u8 bmAttributes; //供电模式的选择
__u8 bMaxPower; //设备从总线提取的最大电流
} __attribute__ ((packed));

// 接口描述符结构体
struct usb_interface_descriptor {
__u8 bLength; //该描述符结构大小
__u8 bDescriptorType; //接口描述符的类型编号(0x04）
__u8 bInterfaceNumber; //接口描述符的类型编号(0x04）
__u8 bAlternateSetting; //接口描述符的类型编号(0x04）
__u8 bNumEndpoints; //该接口使用的端点数，不包括端点0
__u8 bInterfaceClass; //接口类型
__u8 bInterfaceSubClass; //接口子类型
__u8 bInterfaceProtocol; //接口遵循的协议
__u8 iInterface; //描述该接口的字符串索引值
} __attribute__ ((packed));


// 端点描述符结构体
struct usb_endpoint_descriptor {
__u8 bLength; //端点描述符字节数大小（7 个字节）
__u8 bDescriptorType; //端点描述符类型编号（0x05)
__u8 bEndpointAddress; //端点地址及输入输出属性
__u8 bmAttributes; //端点的传输类型属性
__le16 wMaxPacketSize; //端点收、发的最大包大小
__u8 bInterval; //主机查询端点的时间间隔
/* NOTE: these two are _only_ in audio endpoints. */
/* use USB_DT_ENDPOINT*_SIZE in bLength, not sizeof. */
__u8 bRefresh; //声卡用到的变量
__u8 bSynchAddress;
} __attribute__ ((packed));

通过lsusb和lsusb -v可以查询Ubuntu上的usb设备 – 开发板上的lsusb命令应该是精简版　

　3、USB端点描述符

 // USB端点描述符
struct usb_endpoint_descriptor {
__u8 bLength; //端点描述符字节数大小（7 个字节） 
__u8 bDescriptorType; //端点描述符类型编号（0x05) – 
__u8 bEndpointAddress; //端点地址及输入输出属性。bit0:3表示端点地址 bit4:6保留，bit7表示方向1输入：0输出。 –
 __u8 bmAttributes; //端点的传输类型属性。00表示控制传输（双向）， 01表示等时传输，10表示批量传输，11表示中断传输。 –
 __le16 wMaxPacketSize; //端点收、发的最大包大小 – 
__u8 bInterval; //主机查询端点的时间间隔。希望主机轮询设备的时间间 隔 __u8 bRefresh; //声卡用到的变量 –
__u8 bSynchAddress; – } __attribute__ ((packed));

　　4、USB传输方式

　　控制传输：获取和配置设备； –

　　中断传输：例如USB鼠标； –

　　批量传输：大容量数据传输，数据传输稳定，没有固定时间，U盘、USB 打印机和USB扫描仪； –

　　等时传输：可以传输大批量数据，但是对数据是否到达没有保证，且可 以默许错误的发生，对实时性要求比较高，例如camera、音视频等等

6、USB的请求块URB

　　1、申请urb

　　struct urb *usb_alloc_urb(int iso_packets, gfp_t mem_flags)

　　申请urb必须使用这个函数，这样便于USB主控制器统一管理USB 设备 ，而在spi、I2c中自己定义一个结构体变量，在这里必须使用返回值；

　　2、 初始化urb

　　void usb_fill_int[control][bulk]_urb （中断、控制、）

　　参数pipe：管道信息（使用usb_sndintpipe、usb_rcvintpipe 等函数）pipe是usb通信的公路，端点是目的地 –

　　参数*transfer_buffer：发送数据到设备或从设备接收数据的缓冲区 –

　　参数buffer_length：缓冲区的大小 –

　　参数complete_fn:当urb被完全传输或发生错误时，被调用 –

　　参数*context:指向数据点的指针,它可被USB 驱动设置 –

　　参数interval:urb 被轮询到的时间间隔   // 分配CPU的时间

　　3、提交urb分为异步提交和同步提交 – URB提交完成后，剩下的就交给USB主控制器完成

　　异步提交int usb_submit_urb(struct urb *urb, gfp_t mem_flags) –

　　同步提交usb_control[interrupt][bulk]_msg –

　　urb是否完成，可以根据URB提交之后返回值判断。返回值为0则完 成，负数则失败。

　　4、 注销和释放 –

　　注销urb：usb_kill_urb或者usb_unlink_urb –

　　释放urb：usb_free_urb

描述USB设备 –

　　struct usb_device... –

　　注意USB描述符是保存在从机中的信息，主机还是需要有描述USB设备的 结构体。在USB从机设备驱动中，设备信息是通过USB主控制器传输过来 ，在驱动中获取的。 –

　　usb_device中的成员需要获取的信息是设备描述符中的信息。

　　在驱动初始 化probe中可以看到这样的赋值