Linux下的USB总线驱动(01)——USB理论

原文链接地址：http://www.linuxidc.com/Linux/2012-12/76197.htm

1.      USB概念概述

USB1.0版本速度1.5Mbps（低速USB） USB1.1版本速度12Mbps（全速USB） USB2.0版本速度480Mbps（高速USB）

USB驱动由USB主机控制器驱动和USB设备驱动组成。USB主机控制器是用来控制USB设备和CPU之间通信的，USB主机控制器驱动主要用来驱动芯片上的主机控制器硬件。USB设备驱动主要是指具体的例如USB鼠标，USB键盘灯设备的驱动。

一般的通用的Linux设备，如U盘、USB鼠标、USB键盘，都不需要工程师再编写驱动，需要编写的是特定厂商、特定芯片的驱动，而且往往也可以参考内核中已经提供的驱动模板。USB只是一个总线，真正的USB设备驱动的主体工作仍然是USB设备本身所属类型的驱动，如字符设备、tty设备、块设备、输入设备等。

2.      USB主机控制器

USB主机控制器属于南桥芯片的一部分，通过PCI总线和处理器通信。USB主机控制器分为UHCI（英特尔提出）、OHCI（康柏和微软提出）、 EHCI。其中OHCI驱动程序用来为非PC系统上以及带有SiS和ALi芯片组的PC主办上的USB芯片提供支持。UHCI驱动程序多用来为大多数其他 PC主板（包括Intel和Via）上的USB芯片提供支持。ENCI兼容OHCI和UHCI。UHCI的硬件线路比OHCI简单，所以成本较低，但需要较复杂的驱动程序，CPU负荷稍重。主机控制器驱动程序完成的功能主要包括：解析和维护URB，根据不同的端点进行分类缓存URB；负责不同USB传输类型的调度工作；负责USB数据的实际传输工作；实现虚拟跟HUB的功能。

3.      USB设备与USB驱动的匹配

USB设备与USB驱动怎么匹配的呢？实际上USB设备中有一个模块叫固件，是固件信息和USB驱动进行的匹配。固件是固化在集成电路内部的程序代码，USB固件中包含了USB设备的出厂信息，标识该设备的厂商ID、产品ID、主版本号和次版本号等。另外固件中还包含一组程序，这组程序主要完成 USB协议的处理和设备的读写操作。USB设备固件和USB驱动之间通信的规范是通过USB协议来完成的。

4.      USB设备的逻辑结构和端点的传输方式

USB设备的逻辑结构包括设备、配置、接口和端点，分别用usb_device、usb_host_config、 usb_interface、usb_host_endpoint表示。

端点的传输方式包括控制传输、中断传输、批量传输、等时传输。

控制传输主要用于向设备发送配置信息、获取设备信息、发送命令到设备，或者获取设备的状态报告。控制传输一般发送的数据量较小，当USB设备插入时，USB核心使用端点0对设备进行配置，另外，端口0与其他端点不一样，端点0可以双向传输。

中断传输就是中断端点以一个固定的速度来传输较少的数据，USB键盘和鼠标就是使用这个传输方式。这里说的中断和硬件上下文中的中断不一样，它不是设备主动发送一个中断请求，而是主机控制器在保证不大于某个时间间隔内安排一次传输。中断传输对时间要求比较严格，所以可以用中断传输来不断地检测某个设备，当条件满足后再使用批量传输传输大量的数据。

批量传输通常用在数据量大、对数据实时性要求不高的场合，例如USB打印机、扫描仪、大容量存储设备、U盘等。

等时传输同样可以传输大批量数据，但是对数据是否到达没有保证，它对实时性的要求很高，例如音频、视频等设备。

5.      USB的URB请求块

USB请求块（USBrequest block，urb）是USB主机控制器和设备通信的主要数据结构，主机和设备之间通过urb进行数据传输。当主机控制器需要与设备交互时，只需要填充一个urb结构，然后将其提交给USB核心，由USB核心负责对其进行处理。

URB处理流程：

Step1：创建一个URB结构体usb_alloc_urb()

Step2：初始化，被安排一个特定的USB设备的特定端点。fill_int/bulk/control_urb()

Step3：被USB设备驱动提交给USB核心usb_submit_urb()，注意GPF_ATOMIC,GPF_NOIO,GPF_KERNEL的使用区别。

Step4：提交由USB核心指定的USB主机控制器驱动，被主机控制器驱动处理，进行一次到USB设备的传输，该过程由USB核心和主机控制器完成，不受USB设备驱动控制

Step5：当urb完成，USB主机控制器驱动通知USB设备驱动。

简单的批量与控制URB

有时候USB驱动程序只是从USB设备上接收或发送一些简单的数据，这时候可以使用usb_bulk/control_msg()完成，这两个函数是同步的，因此不能在中断上下文和持有自旋锁的情况下使用。

6.      USB的枚举过程

内核辅助线程khubd用来监视与该集线器连接的所有端口，通常情况下，该线程处于休眠状态，当集线器驱动程序检测到USB端口状态变化后，该内核线程立马唤醒。

USB的枚举过程：USB的枚举过程是热插拔USB设备的起始步骤，该过程中，主机控制器获取设备的相关信息并配置好设备，集线器驱动程序负责该枚举过程。枚举过程主要分如下几步：

Step1：根集线器报告插入设备导致的端口电流变化，集线器驱动程序检测到这一状态变化后，唤醒khubd线程。

Step2：khubd识别出电流变化的那个端口

Step3：khubd通过给控制端点0发送控制URB来实现从1-127中选出一个数作为插入设备的批量端点

Step4：khubd利用端口0使用的控制URB从插入的设备那里获得设备描述符，然后获得配置描述符，并选择一个合适的。

Step5：khubd请求USB核心把对应的客户驱动程序和该USB设备挂钩。