1、USB驱动引入
USB(全称 Universal Serial Bus,通用串行总线),已经成为PC及嵌入式设备中最常用、最便捷的通信接口。Linux USB子系统较为庞大,本文主要对Linux系统下的USB总线驱动框架进行概述,重点的细节待后续文章展开。
首先来看一个现象,插入USB设备后linux系统打印如下日志:
拔出后提示:usb 1-1: USB disconnect, address 2
1.1 USB的硬件结构
如图集线器(USB Root Hub)端两条数据线(D+D-),都接有15K的下拉电阻,当无设备接入时,集线器数据线D+D-的电压为低电平。当设备接入时,由于设备的数据线上接有1.5K上拉电阻,使得1根数据线被拉高。集线器根据数据线被拉高得知有设备接入,并根据D+为高还是D-为高来判断所接入的设备是全速USB设备(D+为高)还是低速USB设备(D-为高)。
1.2 USB接入识别大致过程
当识别出有USB设备插入后,linux内的USB总线驱动程序发出命令至该设备,与设备对话,并询问设备信息(描述符),设备收到请求后,回复设备描述符给总线驱动程序。且总线驱动程序会为该设备分配一个地址,如上地址为2,当后期访问某个USB设备时,均会通过这个地址编号,当新接入的USB设备被第一次访问时,以地址0来访问。当USB总线驱动程序识别出设备后,会为其找到该USB设备驱动程序,如键盘,鼠标,U盘。
USB通信过程均为主从结构,USB主机发起通信请求,设备进行数据回复,USB设备不具备主动向主机通信的能力。
2、USB总线驱动框架
如上,我们大致了解了USB的简单通信过程,那么什么是USB总线驱动程序?什么是USB设备驱动呢?
2.1 USB的总线驱动框架
USB总线框架总结为如下图:
2.2USB Core
USB Core这个模块是纯软件部分,并不代表一个设备,是独立于硬件的协议栈,它是所有USB设备赖以生存的模块,即USB子系统的核心。代码位于kernel/drivers/usb/core目录下。
USB Core为设备驱动程序提供服务,提供一个用于访问和控制USB硬件的接口,而不用考虑系统当前使用的哪种HOST Controller。USB Core将用户的请求映射到相关的HCD,用户不能直接访问HCD。USB Core就是HCD与USB设备的桥梁。
其Makefile为:
USB的初始化函数在kernel/drivers/usb/core/usb.c中定义,主要完成bus_register(USB总线注册)、usb_major_init(注册usb主控器字符设备)、usb_register(注册usbfs驱动)、usb_hub_init(USB Hub初始化,注册hub驱动、创建内核守护线程来监测hub端口的状态变化)等工作,后续具体分析。
2.3 USB HCD(Host Controller Driver)
硬件主机控制器Host Controller之上运行的是HCD,是对主机控制器硬件的一个抽象,实现核心层与控制器之间的对话接口,USBHCD包含多种USB接口规范:
(1)UHCI:Intel提供,通用主机控制接口,USB1.0/1.1;
(2)OHCI:微软提供,开放主机控制接口,USB1.0/1.1;
(3)EHCI:增强主机控制接口,USB2.0;
2.4 USB Device Driver
USB设备驱动框架如下图所示:
USB设备是由一些配置(configuration)、接口(interface)和端点(endpoint)组成,,即一个USB设备可以含有一个或多个配置,在每个配置中可含有一个或多个接口,在每个接口中可含有若干个端点。一个USB设备驱动可能包含多个子驱动。一个USB设备子驱动程序对应一个USB接口,而非整个USB设备。
USB设备使用各种描述符来说明其设备架构,包括设备描述符、配置描述符、接口描述符、端点描述符、字符串描述符。后面单独讨论USB设备描述符。
USB传输的对象为端点(endpoint),每一个端点都有传输类型,传输方向,除了端点0外,每一个端点只支持一个方向的数据传输,端点0用于控制传输,既能输出也能输入。输入(IN)、输出(OUT) "都是" 基于USB主机的立场说的。比如鼠标的数据是从鼠标传到PC机, 对应的端点称为"输入端点"。
USB的传输类型:
a. 控制传输:可靠,时间有保证,比如:USB设备的识别过程
b. 批量传输: 可靠, 时间没有保证, 比如:U盘
c. 中断传输:可靠,实时,比如:USB鼠标
d. 实时传输:不可靠,实时,比如:USB摄像头
针对不同类型的USB设备,需要实现特定的USB驱动程序。如HID(Human Interface Device), 属于人机交互类的设备,如USB鼠标,USB键盘等。该类设备必须遵循HID设计规范。
在Linux内核中,使用 struct usb_driver结构体来描述一个USB驱动,通过usb_register在USB驱动中注册进内核。
因此USB设备驱动开发,主要包含如下两个部分:
分配/设置usb_driver结构体,实现并填充结构体内容
注册usb_driver
后续将对USB鼠标驱动进行详细分析,其代码在kernel/drivers/hid/usbhid/usbmouse.c
3、USB设备识别过程
通过以上分析,USB设备驱动模型可以概括为如下图。
主要包含三个部分:USB控制器驱动,USB核心,USB设备驱动。如上图khubd是USB守护进程,当USB设备插入的时候,守护进程监测到,USB主机控制器就会产生一个hub_irq中断,控制器调用hub的探测函数,来解析设备信息。
下面分析一下USB设备的识别过程。
以上显示了设备插入到USB设备驱动被调用的函数流程,后面将拿出一章具体分析函数内部实现来进一步分析USB设备识别中做了哪些事情。
4、总结
通过以上内容,我们从整体上认识了USB硬件识别过程,USB总线框架及USB设备驱动框架。后续会针对一些重点知识进行专题分析。主要包括:
USB设备描述符解析
USB四类传输类型
USB数据包格式分析
USB鼠标设备驱动代码分析
USB初始化代码分析
USB枚举过程代码分析
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