Linux usb Host 详解

1.简介

整个 USB 系统的通讯模型如上图所示，本文详细解析其中 Host 各模块的架构和原理 (图中彩色部分)。

2. Usb Core 驱动设备模型

由前几节可知USB将Device进一步细分成了3个层级：Configuration 配置、Interface 接口、Endpoint 端点。

Usb  Core 为其中两个层次提供了 Device + Driver 的设备驱动模型，这两个层次分别是 Usb Device Layer 和 Usb  Interface Layer 层，一个Usb Device包含一个或多个Usb Interface。其中：

• Usb Device Layer层。这一层的 Device 由 Hub 创建，Hub 本身也是一种 Usb Device；这一层的 Driver 完成的功能非常简单，基本就是帮 Usb Device 创建其包含的所有子 Usb Interface 的 Device，大部分场景下都是使用 usb_generic_driver。
• Usb Interface Layer层。这一层的 Device 由上一级 Usb Device 在驱动 probe() 时创建；而这一层的 Driver 就是普通的业务 Usb 驱动，即 Usb 协议中所说的 Client Software。

2.1 Usb Device Layer

2.1.1 device (struct usb_device)

Usb Device Device 对应的数据结构为 struct usb_device，会在两种情况下被创建：

1、roothub device。在 HCD 驱动注册时创建：

/* (1) 首先创建和初始化 `usb_device` 结构：*/
usb_add_hcd() → usb_alloc_dev():
struct usb_device *usb_alloc_dev(struct usb_device *parent,
         struct usb_bus *bus, unsigned port1)
{


  /* (1.1) dev 总线初始化为 usb_bus_type */
  dev->dev.bus = &usb_bus_type;
  /* (1.2) dev 类型初始化为 usb_device_type，标明自己是一个 usb device */
  dev->dev.type = &usb_device_type;
  dev->dev.groups = usb_device_groups;


}


/* (2) 然后注册  `usb_device` 结构：*/
usb_add_hcd() → register_root_hub() → usb_new_device() → device_add()

2、普通 usb device。在 Hub 检测到端口有设备 attach 时创建：

/* (1) 首先创建和初始化 `usb_device` 结构：*/
hub_event() → port_event() → hub_port_connect_change() → hub_port_connect() → usb_alloc_dev()


/* (2) 然后注册  `usb_device` 结构：*/
hub_event() → port_event() → hub_port_connect_change() → hub_port_connect() → usb_new_device() → device_add()

2.1.2 driver (struct usb_device_driver)

Usb Device Driver 对应的数据结构为 struct usb_device_driver，使用 usb_register_device_driver() 函数进行注册：

int usb_register_device_driver(struct usb_device_driver *new_udriver,
    struct module *owner)
{


  /* (1) 设置for_devices标志为1，表面这个驱动时给 usb device 使用的 */
  new_udriver->drvwrap.for_devices = 1;
  new_udriver->drvwrap.driver.name = new_udriver->name;
  new_udriver->drvwrap.driver.bus = &usb_bus_type;
  new_udriver->drvwrap.driver.probe = usb_probe_device;
  new_udriver->drvwrap.driver.remove = usb_unbind_device;
  new_udriver->drvwrap.driver.owner = owner;
  new_udriver->drvwrap.driver.dev_groups = new_udriver->dev_groups;


  retval = driver_register(&new_udriver->drvwrap.driver);


}

注册的 Usb Device Driver 驱动非常少，一般情况下所有的 Usb Device Device 都会适配到 usb_generic_driver。因为这一层次驱动的目的很单纯，就是给 Usb Device 下所有的 Interface 创建对应的 Usb Interface Device。

usb_init() → usb_register_device_driver() :


static int __init usb_init(void)
{


  retval = usb_register_device_driver(&usb_generic_driver, THIS_MODULE);


}


struct usb_device_driver usb_generic_driver = {
  .name =  "usb",
  .match = usb_generic_driver_match,
  .probe = usb_generic_driver_probe,
  .disconnect = usb_generic_driver_disconnect,
#ifdef  CONFIG_PM
  .suspend = usb_generic_driver_suspend,
  .resume = usb_generic_driver_resume,
#endif
  .supports_autosuspend = 1,
};

驱动 probe() 过程：

usb_probe_device() → usb_generic_driver_probe() → usb_set_configuration():


int usb_set_configuration(struct usb_device *dev, int configuration)
{


  /* (1) 创建和初始化 `struct usb_interface` */
  for (i = 0; i < nintf; ++i) {
    /* (1.1) dev 总线初始化为 usb_bus_type */
    intf->dev.bus = &usb_bus_type;
    /* (1.2) dev 类型初始化为 usb_if_device_type，标明自己是一个 usb interface */
    intf->dev.type = &usb_if_device_type;
    intf->dev.groups = usb_interface_groups;
  }


  /* (2) 注册 `struct usb_interface` */
  for (i = 0; i < nintf; ++i) {
    ret = device_add(&intf->dev);
  }


}

2.1.3 bus (usb_bus_type)

可以看到 struct usb_device 和 struct usb_interface 使用的总线都是 usb_bus_type。他们是通过字段 dev.type 来区分的：

/* (1) `struct usb_device` 的 `dev.type` 值为 `usb_device_type`：*/
usb_add_hcd() → usb_alloc_dev():
struct usb_device *usb_alloc_dev(struct usb_device *parent,
         struct usb_bus *bus, unsigned port1)
{
  dev->dev.type = &usb_device_type;
}


/* (2) `struct usb_interface` 的 `dev.type` 值为 `usb_if_device_type` */
usb_probe_device() → usb_generic_driver_probe() → usb_set_configuration():
int usb_set_configuration(struct usb_device *dev, int configuration)
{
  for (i = 0; i < nintf; ++i) {
    intf->dev.type = &usb_if_device_type;
  }
}


static inline int is_usb_device(const struct device *dev)
{
  /* (3) 判断当前 Device 是否为 Usb Device */
  return dev->type == &usb_device_type;
}


static inline int is_usb_interface(const struct device *dev)
{
  /* (4) 判断当前 Device 是否为 Usb Interface */
  return dev->type == &usb_if_device_type;
}

另外 struct usb_device_driver 和 struct usb_driver 使用的总线都是 usb_bus_type。他们是通过字段 drvwrap.for_devices 来区分的：

/* (1) `struct usb_device_driver` 的 `drvwrap.for_devices` 值为 1：*/
int usb_register_device_driver(struct usb_device_driver *new_udriver,
    struct module *owner)
{
  new_udriver->drvwrap.for_devices = 1;
}


/* (2) `struct usb_driver` 的 `drvwrap.for_devices` 值为 0：*/
int usb_register_driver(struct usb_driver *new_driver, struct module *owner,
      const char *mod_name)
{
  new_driver->drvwrap.for_devices = 0;
}


/* (3) 判断当前 Driver 是适配 Usb Device 还是 Usb Interface */
static inline int is_usb_device_driver(struct device_driver *drv)
{
  return container_of(drv, struct usbdrv_wrap, driver)->
      for_devices;
}

在 usb_bus_type 的 match() 函数中利用 dev.type 进行判别分开处理：

struct bus_type usb_bus_type = {
  .name =    "usb",
  .match =  usb_device_match,
  .uevent =  usb_uevent,
  .need_parent_lock =  true,
};


static int usb_device_match(struct device *dev, struct device_driver *drv)
{
  /* devices and interfaces are handled separately */
  /* (1)