通过configfs配置的Linux USB gadget

概述

USB Linux Gadget是一种具有UDC (USB设备控制器)的设备，可以连接到USB主机，以扩展其附加功能，如串口或大容量存储能力。

一个gadget被它的主机视为一组配置，每个配置都包含一些接口，从gadget的角度来看，这些接口被称为功能，每个功能代表一个串行连接或一个SCSI磁盘。

Linux提供了许多gadget可以使用的功能。

创建一个gadget意味着决定将有哪些配置以及每个配置将提供哪些功能。

Configfs(请参阅Configfs—用户空间驱动的内核对象配置)非常适合告诉内核上述决定。本文档是关于如何实现这一点的。它还描述了如何将configfs集成到gadget中。

要求

为了使其工作，配置文件必须可用，因此CONFIGFS_FS必须为 'y' 或 'm' 在.config中。在撰写本文时，USB_LIBCOMPOSITE选择CONFIGFS_FS。

用法

(描述configfs提供的第一个功能的原始帖子可以在这里看到:http://www.spinics.net/lists/linux-usb/msg76388.html)

$ modprobe libcomposite
$ mount none $CONFIGFS_HOME -t configfs

其中CONFIGFS_HOME是configfs的挂载点。

1. 创建gadget

对于每个要创建的gadget，必须创建相应的目录：

$ mkdir $CONFIGFS_HOME/usb_gadget/<gadget name>

例如：

$ mkdir $CONFIGFS_HOME/usb_gadget/g1
$ cd $CONFIGFS_HOME/usb_gadget/g1

每个gadget需要指定其vendor id <VID>和product id <PID>:

$ echo <VID> > idVendor
$ echo <PID> > idProduct

gadget还需要它的序列号、制造商和产品字符串。为了有一个地方存储它们，必须为每种语言创建一个字符串子目录，例如:

$ mkdir strings/0x409

然后可以指定字符串：

$ echo <serial number> > strings/0x409/serialnumber
$ echo <manufacturer> > strings/0x409/manufacturer
$ echo <product> > strings/0x409/product

2. 创建配置

每个 gadget 将由许多配置组成，必须创建相应的目录:

$ mkdir configs/<name>.<number>

<name>可以是文件系统中合法的任意字符串，而<number>是配置的编号，例如:

$ mkdir configs/c.1

每个配置也需要它的字符串，所以必须为每种语言创建一个子目录，例如:

$ mkdir configs/c.1/strings/0x409

然后可以指定配置字符串:

$ echo <configuration> > configs/c.1/strings/0x409/configuration

也可以为配置设置一些属性，例如:

$ echo 120 > configs/c.1/MaxPower

3. 创建功能

gadget将提供一些功能，对于每个功能，必须创建相应的目录：

$ mkdir functions/<name>.<instance name>

其中<name>对应于一个允许的功能名称，<instance name>是文件系统中允许的任意字符串，例如：

$ mkdir functions/ncm.usb0 # usb_f_ncm.ko gets loaded with request_module()

每个函数都提供其特定的属性集，具有只读或读写访问权限。如适用，需要酌情写入。更多信息请参考Documentation/ABI/testing/configfs-usb-gadget。

4. 关联功能及其配置

此时，许多gadget被创建出来，每个gadget都有一些指定的配置和一些可用的功能。剩下的就是指定哪个功能在哪个配置中可用(同一个功能可以在多个配置中使用)。这是通过创建符号链接来实现的:

$ ln -s functions/<name>.<instance name> configs/<name>.<number>

例如：

$ ln -s functions/ncm.usb0 configs/c.1

5. 启用gadget

以上所有步骤的目的是组成gadget的配置和功能。

示例目录结构可能看起来像这样：

  .
  ./strings
  ./strings/0x409
  ./strings/0x409/serialnumber
  ./strings/0x409/product
  ./strings/0x409/manufacturer
  ./configs
  ./configs/c.1
  ./configs/c.1/ncm.usb0 -> ../../../../usb_gadget/g1/functions/ncm.usb0
  ./configs/c.1/strings
  ./configs/c.1/strings/0x409
  ./configs/c.1/strings/0x409/configuration
  ./configs/c.1/bmAttributes
  ./configs/c.1/MaxPower
  ./functions
  ./functions/ncm.usb0
  ./functions/ncm.usb0/ifname
  ./functions/ncm.usb0/qmult
  ./functions/ncm.usb0/host_addr
  ./functions/ncm.usb0/dev_addr
  ./UDC
  ./bcdUSB
  ./bcdDevice
  ./idProduct
  ./idVendor
  ./bMaxPacketSize0
  ./bDeviceProtocol
  ./bDeviceSubClass
  ./bDeviceClass

这样的gadget必须最终启用，以便USB主机能够枚举它。

为了启用gadget，它必须绑定到UDC (USB设备控制器)：

$ echo <udc name> > UDC

其中<udc name>是在/sys/class/udc/*，例如：

$ echo s3c-hsotg > UDC

6. 禁用gadget

$ echo "" > UDC

7. 清理

从配置中删除功能：

$ rm configs/<config name>.<number>/<function>

 <config name >.<number>指定配置，<function>是指向从配置中删除的功能的符号链接，例如：

$ rm configs/c.1/ncm.usb0

删除配置中的字符串目录:

$ rmdir configs/<config name>.<number>/strings/<lang>

例如：

$ rmdir configs/c.1/strings/0x409

并删除配置：

$ rmdir configs/<config name>.<number>

例如：

rmdir configs/c.1

删除功能(功能模块不会被卸载):

$ rmdir functions/<name>.<instance name>

例如：

$ rmdir functions/ncm.usb0

删除gadget中的字符串目录：

$ rmdir strings/<lang>

例如：

$ rmdir strings/0x409

最后移除gadget：

$ cd ..
$ rmdir <gadget name>

例如：

$ rmdir g1

实施设计

下面介绍configfs的工作原理。在configfs中有项目和组，它们都表示为目录。项和组之间的区别在于，组可以包含其他组。下图中只显示了一个项目。项和组都可以具有属性，这些属性表示为文件。用户可以创建和删除目录，但不能删除文件，文件可以是只读的或读写的，这取决于它们所代表的内容。

configfs的文件系统部分操作config_items/groups和configfs_attributes，它们是通用的，对所有配置的元素具有相同的类型。但是，它们被嵌入到特定于使用的更大的结构中。下面的图片中有一个“cs”，它包含一个config_item和一个“sa”，它包含一个configfs_attribute。

文件系统视图是这样的：

  ./
  ./cs        (directory)
     |
     +--sa    (file)
     |
     .
     .
     .

每当用户读取/写入“sa”文件时，都会调用一个函数，该函数接受一个struct config_item和一个struct configfs_attribute。在上述函数中，使用众所周知的container_of技术检索“cs”和“sa”，并调用适当的sa函数(show或store)并传递“cs”和字符缓冲区。“show”用于显示文件的内容(将数据从cs复制到缓冲区)，而“store”用于修改文件的内容(将数据从缓冲区复制到cs)，但这取决于两个函数的实现者来决定它们的操作。

typedef struct configured_structure cs;
typedef struct specific_attribute sa;

                                       sa
                       +----------------------------------+
        cs             |  (*show)(cs *, buffer);          |
+-----------------+    |  (*store)(cs *, buffer, length); |
|                 |    |                                  |
| +-------------+ |    |       +------------------+       |
| | struct      |-|----|------>|struct            |       |
| | config_item | |    |       |configfs_attribute|       |
| +-------------+ |    |       +------------------+       |
|                 |    +----------------------------------+
| data to be set  |                .
|                 |                .
+-----------------+                .

文件名由配置项/组设计器决定，而目录通常可以随意命名。一个组可以有许多自动创建的默认子组。

有关configfs的更多信息，请参见`Documentation/filesystems/configfs.rst`。

上面描述的概念转化为USB gadget如下:

1. 一个小工具有它的配置组，它有一些属性(idVendor, idProduct等)和默认子组(configs, functions, strings)。写入属性将导致信息存储在适当的位置。在配置、函数和字符串子组中，用户可以创建它们的子组来表示给定语言中的配置、函数和字符串组。

2. 用户创建配置和函数，在配置中创建到函数的符号链接。当将gadget的UDC属性写入时使用此信息，这意味着将gadget绑定到UDC。驱动程序/usb/gadget/configfs.c中的代码遍历所有配置，并且在每个配置中遍历所有函数并绑定它们。这样整个gadget就被绑定了。

3. 文件驱动程序/usb/gadget/configfs.c包含以下代码:

• gadget's config_group
• gadget's default groups (configs, functions, strings)
• associating functions with configurations (symlinks)

4. 个USB函数自然都有自己想要配置的视图，所以特定函数的config_groups定义在函数实现文件drivers/ USB /gadget/f_*.c中。

5. 函数的代码是以它所使用的方式编写的。

 

Usb_get_function_instance()，它反过来调用request_module。因此，只要modprobe工作正常，特定函数的模块就会自动加载。请注意，相反的情况是不正确的: 在 gadget 被禁用和卸载后，模块仍然是加载的。