linux设备驱动(28)usb驱动开发过程总结
设备驱动程序是操作系统内核和机器硬件之间的接口，由一组函数和一些私有数据组成，是应用程序和硬件设备之间的桥梁。在应用程序看来，硬件设备只是一个设备文件，应用程序可以像操作普通文件一样对硬件设备进行操作。
设备驱动程序是内核的一部分，主要完成以下功能：对设备的初始化和释放；把数据从内核传送到硬件设备和从硬件设备读取数据；读取应用程序数据传送给设备文件和回送应用程序请求的数据；检测和处理硬件设备出现的错误。
1 Linux USB子系统分析
在Linux系统中，USB主机驱动程序由3部分组成：USB主机控制器驱动（HCD）、USB核心驱动（USBD）和不同种类的USB设备类驱动，如下所示。其中HCD和USBD被称为协议软件或者协议栈，这两部分共同处理与协议相关的操作。
USB设备类驱动可以包含多个，不同的功能接口对应不同的驱动程序，它们不直接与USB设备硬件打交道，而是通过协议软件的抽象处理来完成与设备的不同功能接口之间的通信。
在Linux USB子系统中，HCD是直接和硬件进行交互的软件模块，是USB协议栈的最底层部分，是USB主机控制器硬件和数据传输的一种抽象。
HCD向上仅对USB总线驱动程序服务，HCD提供了一个软件接口，即HCDI，使得各种USB主机控制器的硬件特性都被软件化，并受USB总线驱动程序的调用和管理。HCD向下则直接管理和检测主控制器硬件的各种行为。HCD提供的功能主要有：主机控制器硬件初始化；为USBD层提供相应的接口函数；提供根HUB（ROOT HUB）设备配置、控制功能；完成4种类型的数据传输等。
USBD部分是整个USB主机驱动的核心，主要实现的功能有：USB总线管理；USB总线设备管理、USB总线带宽管理、USB的4种类型数据传输、USB HUB驱动、为USB设备驱动提供相关接口、提供应用程序访问USB系统的文件接口等。其中USB HUB作为一类特殊的USB设备，其驱动程序被包含在USBD层。
在嵌入式Linux系统中，已经包含HCD模块和USB核心驱动USBD，不需要用户重新编写，用户仅仅需要完成USB设备类驱动即可。
2 Linux系统中USB子系统的主要数据结构
Linux系统中，USBD通过定义一组宏、数据结构和函数来抽象出所有硬件或是设备具有依赖关系的部分。USBD中主要有四个数据结构，分别是：
1 usb_device保存一个USB设备的信息，包括设备地址，设备描述符，配置描述符等。 2 usb_bus保存一个USB总线系统的信息，包括总线上设备地址信息，根集线器，带宽使用情况等。一个USB总线系统至少有一个主机控制器和一个根集线器，Linux系统支持多USB总线系统。 3 usb_driver保存客户驱动信息，包括驱动名称，以及驱动提供给USB内核使用的函数指针等。 4 URB（Universal Request Block）是进行USB通信的数据结构，USBD通过URB在USB设备类驱动和USBD、USBD和HCD间进行数据传输。
3 Linux系统中USB设备的加载与卸载
当把一个USB设备插入到一个USB HUB的某个端口时，集中器就会检测到设备的接入，从而在下一次受到主机通过中断交互查询时就会向其报告。集中器的端口在没有设备接入时都处于关闭状态，插入设备之后也不会自动打开，必须由主机通过控制交互发出命令予以打开。所以，在得到集中器的报告之后，主机的USB驱动程序就会为新插入的设备调度若干个控制交互，并向集中器发出打开这个端口的命令，这样新插入的设备就会出现在USB总线上了，并为该设备分配唯一的地址。
HUB驱动程序调用函数usb_connect(struct usb_device *dev)和usb_new_device(struct usb_device *dev)解析设备的各种描述符信息，分配资源，并与相应的设备驱动程序建立联系。
函数usb_new_device主要完成以下工作：
（1）调用usb_set_address把新分配的设备地址传送给设备。
（2）调用usb_get_descriptor获得设备的设备描述符，得到设备端点的包的最大长度，接下来的控制传输按这个数据包最大长度进行。
（3）调用usb_get_configuration得到设备的所有配置描述符、接口描述符和端点描述符信息。
（4）调用usb_set_configuration激活当前的配置作为默认工作配置。
（5）在目录“proc/bus/usb”中为设备创建节点。
（6）在USB子系统中，通过函数usb_find_drivers和usb_find_interface_driver，为设备的每一个接口寻找相应的驱动程序，驱动程序对接口进行配置并为它们分配所需的资源。当每个接口被成功驱动后，此设备就能正常工作了。
设备拔下时，与之相联的集线器首先检测到设备的拔下信号，通过中断传输将信息传送给集线器的驱动，集线器的驱动先验证设备是否被拔下，如果是则调用usb_disconnect(struct usb_device **pdev)进行处理。设备断开后，USB系统找到设备当前活动配置的每个接口的驱动程序，调用它们提供的disconnect接口函数，中断它们与各个接口的数据传输操作，释放它们为每个接口分配的资源。如果此设备是集线器，则递归调用usb_disconnect来处理它的子设备，释放设备地址，通过usbdevfs_remove_device函数释放给设备创建的文件节点，通过usb_free_dev释放USBD给设备分配的资源。
4 编写USB驱动程序步骤
（1）所有usb驱动都必须创建主要结构体struct usb_driver
struct usb_driver
struct module *owner
(有他可正确对该驱动程序引用计数，应为THIS_MODULE）
const char *name
(驱动名字，运行时可在查看 /sys/bus/usb/drivers/)
const struct usb_device_id *id_table
(包含该驱动可支持的所有不同类型的驱动设备,没添探测回调函数不会被调用）
int （*probe)(struct usb_interface *intf,const struct usb_device_id *id)
(usb驱动探测函数,确认后struct usb_interface 应恰当初始化，然后返0，如果出错则返负值)
void(*disconnect)(struct usb_interface *intf)
(当struct usb_interface 被从系统中移除或驱动正从usb核心中卸载时，usb核心将调用此函数）
（2）usb_register()注册将struct usb_driver 注册到usb核心，传统是在usb驱动程序模块初始化代码中完成该工作的
（3）struct usb_device_id usb核心用该表判断哪个设备该使用哪个驱动程序，热插拔脚本使用它来确定当一个特定的设备插入到系统时该自动装载哪个驱动程序。
__u16 match_flags(确定设备和结构体中下列字段中哪一个相匹配）
__u16 idVendor(设备的usb制造商id）
__u16 idProduct(设备的usb产品id）
（4）USB骨架程序的关键几点如下：
1）USB驱动的注册和注销
Usb驱动程序在注册时会发送一个命令给usb_register，通常在驱动程序的初始化函数里。
当要从系统卸载驱动程序时，需要注销usb子系统。即需要usb_unregister 函数处理。
2）当usb设备插入时，为了使linux-hotplug（Linux中PCI、USB等设备热插拔支持）系统自动装载驱动程序，你需要创建一个MODULE_DEVICE_TABLE
USB_DEVICE宏利用厂商ID和产品ID为我们提供了一个设备的唯一标识。当系统插入一个ID匹配的USB设备到USB总线时，驱动会在USB core中注册。驱动程序中probe 函数也就会被调用。usb_device 结构指针、接口号和接口ID都会被传递到函数中。
3） static void * skel_probe(struct usb_device *dev,unsigned int ifnum, const struct usb_device_id *id)
驱动程序需要确认插入的设备是否可以被接受，如果不接受，或者在初始化的过程中发生任何错误，probe函数返回一个NULL值。否则返回一个含有设备驱动程序状态的指针。通过这个指针，就可以访问所有结构中的回调函数。
4）在骨架驱动程序里，最后一点是我们要注册devfs。
我们创建一个缓冲用来保存那些被发送给usb设备的数据和那些从设备上接受的数据，同时USB urb 被初始化，并且我们在devfs子系统中注册设备，允许devfs用户访问我们的设备。注册过程如下：
如果devfs_register函数失败，不用担心，devfs子系统会将此情况报告给用户。
当然最后，如果设备从usb总线拔掉，设备指针会调用disconnect 函数。驱动程序就需要清除那些被分配了的所有私有数据、关闭urbs，并且从devfs上注销调自己
5）其他
a struct usb_host_endpoint(描述usb端点)
(包含)struct usb_endpoint_descriptor(含真正端点信息，数据格式，是真正驱动关心的字段)
端点描述符：
bEndpointAddress = 81(in)(第8位为1是输入设备)（usb的端点地址，包含端点方向）
bmAttibutes = 03（interrupt）（端点类型，为中断传输）
wMaxPacketSize = 0008（每次传8个字节）（端点每次可处理最大字节长度）
bInterval = 08（8ms）（如端点为中断，该值为轮询间隔）
b usb端点捆绑为接口，usb接口只处理一种usb逻辑连接，如鼠标键盘等
一个usb设备可有多接口，usb扬声器：一个usb键盘用于按键，一个usb音频流，则需两个不同的驱动程序。
usb驱动 通常将struct usb_interface 转成 struct usb_device 用函数 interface_to_usbdev转
c struct usb_interface 描述usb接口
struct usb_host_interface * altsetting(接口结构体数组,包含所有可能用于该接口的可选设置)
struct usb_host_endpoint
unsigned num_altsetting(可选设置的数量)
struct usb_host_interface * cur_altsetting(接口当前活动设置)
int minor（usb核心分配给接口的次设备号，成功调用usb_register_dev有效）
d usb设备非常复杂，由许多不同逻辑单元组成，简单关系如下：
设备通常有一个以上的配置
配置经常有一个以上接口
接口通常有一个以上设置
接口通常有一个以上端点
设备描述-》配置描述-》接口描述-》端点描述
e usb sysfs设备命名方案
根集线器-集线器端口号：配置。接口
对于usb hub树中层次更高的字树命名方案
根集线器-集线器端口号-集线器端口号：配置。接口
f linux内核的代码通过一个成为urb（usb请求块）和所有usb设备通信.
用struct urb描述（include/linux/usb.h中定义）
urb用异步同usb设备特定usb端点发送/接收数据，使用类似网络代码中的struct skbuff
urb 被动态创建，随时可被驱动程序或usb核心取消，内部有引用计数，可被多次调用，使他们可在最后一个使用者释放他们时自动地销毁
urb使得流处理或其他复杂的重叠的通信成为可能，获得高数据传输速度。
usb_alloc_urb() 创建urb包 usb_free_urb() 释放urb包
usb_fill_int_urb()正确初始化将发送到usb设备的中断端点urb
usb_fill_bulk_urb() .. .. .. ... 批量传输端点urb
usb_fill_control_urb() .. .. .. ... 控制端点urb
等时urb在提交给核心时必须手动初始化（很不幸，没函数）
usb_submit_urb()urb被usb驱动正确创建和初始化后，就可提交到usb核心，发送到usb设备上了,如果调用成功，函数返0，urb控制权转给usb核心
usb_kill_urb() or usb_unlink_urb()取消已经被提交给核心的urb 。
6 内核自带的实例
usb开发过程总结以内核drivers\usb\usb-skeleton.c自带的usb驱动实例为例来分析总结。
6.1 usb_driver定义
usb驱动都必须创建主要结构体usb_driver
1 static struct usb_driver skel_driver = { 2 .name = "skeleton", 3 .probe = skel_probe, 4 .disconnect = skel_disconnect,//当struct usb_interface 被从系统中移除或驱动正从usb核心中卸载时，usb核心将调用此函 5 .suspend = skel_suspend, 6 .resume = skel_resume, 7 .pre_reset = skel_pre_reset, 8 .post_reset = skel_post_reset, 9 .id_table = skel_table,//包含该驱动可支持的所有不同类型的驱动设备,没添探测回调函数不会被调用 10 .supports_autosuspend = 1, 11 }; 12 13 module_usb_driver(skel_driver);
6.2 usb_register()注册
将struct usb_driver 注册到usb核心，usb驱动程序模块初始化代码中完成该工作的。是通过以下宏实现的：
1 #define module_usb_driver(__usb_driver) \ 2 module_driver(__usb_driver, usb_register, \ 3 usb_deregister) 4 5 #define module_driver(__driver, __register, __unregister, ...) \ 6 static int __init __driver##_init(void) \ 7 { \ 8 return __register(&(__driver) , ##__VA_ARGS__); \ 9 } \ 10 module_init(__driver##_init); \ 11 static void __exit __driver##_exit(void) \ 12 { \ 13 __unregister(&(__driver) , ##__VA_ARGS__); \ 14 } \ 15 module_exit(__driver##_exit);
6.3 struct usb_device_id usb核心用该表判断哪个设备该使用哪个驱动程序，热插拔脚本使用它来确定当一个特定的设备插入到系统时该自动装载哪个驱动程序。
__u16 match_flags(确定设备和结构体中下列字段中哪一个相匹配）
__u16 idVendor(设备的usb制造商id）
__u16 idProduct(设备的usb产品id）
USB_DEVICE宏利用厂商ID和产品ID为我们提供了一个设备的唯一标识。当系统插入一个ID匹配的USB设备到USB总线时，驱动会在USB core中注册。驱动程序中probe 函数也就会被调用。usb_device 结构指针、接口号和接口ID都会被传递到函数中。
6.4 usb probe函数
驱动程序需要确认插入的设备是否可以被接受，如果不接受，或者在初始化的过程中发生任何错误，probe函数返回一个NULL值。否则返回一个含有设备驱动程序状态的指针。通过这个指针，就可以访问所有结构中的回调函数。
1 static int skel_probe(struct usb_interface *interface, 2 const struct usb_device_id *id) 3 { 4 struct usb_skel *dev; 5 struct usb_host_interface *iface_desc; 6 struct usb_endpoint_descriptor *endpoint; 7 size_t buffer_size; 8 int i; 9 int retval = -ENOMEM; 10 11 /* allocate memory for our device state and initialize it */ 12 dev = kzalloc(sizeof(*dev), GFP_KERNEL); 13 if (!dev) { 14 dev_err(&interface->dev, "Out of memory\n"); 15 goto error; 16 } 17 kref_init(&dev->kref); 18 sema_init(&dev->limit_sem, WRITES_IN_FLIGHT); 19 mutex_init(&dev->io_mutex); 20 spin_lock_init(&dev->err_lock); 21 init_usb_anchor(&dev->submitted); 22 init_waitqueue_head(&dev->bulk_in_wait); 23 24 dev->udev = usb_get_dev(interface_to_usbdev(interface)); 25 dev->interface = interface; 26 27 /* set up the endpoint information */ 28 /* use only the first bulk-in and bulk-out endpoints */ 29 iface_desc = interface->cur_altsetting; 30 for (i = 0; i < iface_desc->desc.bNumEndpoints; ++i) { 31 endpoint = &iface_desc->endpoint[i].desc; 32 33 if (!dev->bulk_in_endpointAddr && 34 usb_endpoint_is_bulk_in(endpoint)) { 35 /* we found a bulk in endpoint */ 36 buffer_size = usb_endpoint_maxp(endpoint); 37 dev->bulk_in_size = buffer_size; 38 dev->bulk_in_endpointAddr = endpoint->bEndpointAddress; 39 dev->bulk_in_buffer = kmalloc(buffer_size, GFP_KERNEL); 40 if (!dev->bulk_in_buffer) { 41 dev_err(&interface->dev, 42 "Could not allocate bulk_in_buffer\n"); 43 goto error; 44 } 45 dev->bulk_in_urb = usb_alloc_urb(0, GFP_KERNEL); 46 if (!dev->bulk_in_urb) { 47 dev_err(&interface->dev, 48 "Could not allocate bulk_in_urb\n"); 49 goto error; 50 } 51 } 52 53 if (!dev->bulk_out_endpointAddr && 54 usb_endpoint_is_bulk_out(endpoint)) { 55 /* we found a bulk out endpoint */ 56 dev->bulk_out_endpointAddr = endpoint->bEndpointAddress; 57 } 58 } 59 if (!(dev->bulk_in_endpointAddr && dev->bulk_out_endpointAddr)) { 60 dev_err(&interface->dev, 61 "Could not find both bulk-in and bulk-out endpoints\n"); 62 goto error; 63 } 64 65 /* save our data pointer in this interface device */ 66 usb_set_intfdata(interface, dev); 67 68 /* we can register the device now, as it is ready */ 69 retval = usb_register_dev(interface, &skel_class); 70 if (retval) { 71 /* something prevented us from registering this driver */ 72 dev_err(&interface->dev, 73 "Not able to get a minor for this device.\n"); 74 usb_set_intfdata(interface, NULL); 75 goto error; 76 } 77 78 /* let the user know what node this device is now attached to */ 79 dev_info(&interface->dev, 80 "USB Skeleton device now attached to USBSkel-%d", 81 interface->minor); 82 return 0; 83 84 error: 85 if (dev) 86 /* this frees allocated memory */ 87 kref_put(&dev->kref, skel_delete); 88 return retval; 89 }
未完待续。。。
参考博文：https://blog.csdn.net/zqixiao_09/java/article/details/51057086
