Linux驱动开发、22-USB子系统

最新推荐文章于 2024-11-09 12:03:16 发布

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本文深入解析USB系统的硬件结构、工作原理及软件架构，涵盖USB各版本速率、拓扑结构、描述符概念、数据通信机制等内容。

USB子系统

USB（universal serial bus）总线：通用串行总线，是一种外部总线标准，用于规范电脑与外部设备的连接和通讯。

USB1.0：1.5MB/S

USB1.1（full speed）：12MB/S

USB2.0（high speed）：480MB/S

USB3.0（supper sped）：4800MB/S

USB硬件结构(4线)：电源（5V,500mA），地线，D+,D-

工作原理：

USB端口的D＋、D－数据线上有15K左右的“高值”下拉电阻，从而使USB的数据线悬空电平为低。USB设备的D＋（高速High Speed或全速Full Speed）或D－（低速Low Speed）上具有1.5K左右的“低值”上拉电阻，而USB端口的VCC和GND引出线长于数据线，这保证了USB设备先上电后挂线，如此上拉电阻能可靠地将USB端口的相应数据线拉高，这样即可判别USB设备的接入及其速度了。通过改变D+和D- 两根数据线之间的电压差来表示0/1；

拓普结构：

对于每个USB系统来说，都有一个称为主机控制器的设备，该控制器和一个根Hub作为
一个整体。这个根Hub下可以接多级的Hub，每个子Hub又可以接子Hub。每个USB设备
作为一个节点接在不同级别的Hub上。每条USB总线上最多可以接127个设备。

常见的USB主控制器规格有：
OHCI(Open HCI 开放主机接口)：主要是非PC系统上的USB芯片
UHCI：大多是Intel和Via主板上的USB控制器芯片。他们都是由USB1.1规格的。
EHCI(Enhanced Host Connective Interface 增强主机控制器接口)：由Intel等几个厂商研发，兼容OHCI，UHCI ，遵循USB2.0规范

USB OTG（on the go）控制器：这类控制器在嵌入式微控制器领域备受欢迎，采用otg 控制器，每个通信终端能充当DRD(Dual-Role Device,双重角色设备)。用HNP(Host Negotiation Protocol,主机沟通协议)初始化设备连接后，这样的设备可以根据功能需要在主机模式和设备模式之间任意切换。

HCD主控制器驱动：Host Control Driver

USB设备逻辑结构

在USB设备的逻辑组织中，包含设备、配置、接口和端点4个层次。设备通常有一个或多个配置,配置通常有一个或多个接口,接口有零或多个端点（端点可以比喻成寄存器）。

USB设备中的唯一可寻址的部分是设备端点，端点的作用类似于寄存器。每个端点在设备内部有唯一的端点号，这个端点号是在设备设计时给定的。主机和设备的通信最终都作用于设备上的各个端点。每个端点所支持的操作都是单向的，要么只读，要么只写。

主机能自动设备USB设备的原因：

在每一个USB设备内部，包含了固定格式的数据，通过这些数据，USB主机就可以获取USB设备的类型、生产厂商等信息。这些固定格式的数据，我们就称之为USB描述符。标准的USB设备有5种USB描述符：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。

格式查看：《USB specification :Table-9.8》

设备描述符：一个USB设备只有一个设备描述符，设备描述符长度为18个字节。

配置描述符：

接口描述符：

端点描述符

USB数据通讯：

USB的数据通讯首先是基于传输（Transfer）的，传输的类型有：中断传输、批量传输、同步传输、控制传输

一次传输由一个或多个事务(transaction)构成,事务可分为：In事务，Out事务，Setup事务

一个事务由一个或多个包(packet)构成,包可分为：令牌包(setup)、数据包(data)、握手包(ACK)和特殊包

一个包由多个域构成,域可分为：同步域（SYNC），标识域（PID），地址域（ADDR），端点域（ENDP），帧号域（FRAM），数据域（DATA），校验域（CRC）

USB枚举：

USB设备在正常工作以前, 第一件要做的事就是枚举。枚举是让主机认得这个USB设备, 并且为该设备准备资源，建立好主机和设备之间的数据传递通道。

USB 寻址

USB设备里的每个寻址单元称作端点。每个端点分配的地址称作端点地址。每个端点地址都有与之相关的传输模式。如果一个端点的数据传输模式时批量传输模式，该端点叫做批量端点。地址为0的端点专门用来配置设备。控制管道和它相连，完成设备枚举过程.

USB设备地址和I2C一样，并不占用CPU可寻址的空间，它们的地址空间是私有的，同样采用主从结构..

LINUX USB子系统驱动架构

开发板作为主机，挂载U盘

开发板作为从设备，PC机为主机

URB（USB Request Block,USB请求块）通讯模型：USB数据传输机制使用的核心数据结构

dnw下载线执行流程

驱动程序设计

#include

#define USB_VID_TQ210 0x04e8

#define USB_PID_TQ210 0X1234

#define DES_BUF_SIZE 512

unsigned char bulk_out_endaddr; /*目标端点地址*/

char *des_buffer;

struct usb_device *usb_dev; /*指向USB设备*/

/***********************************

当USB核心检测到某个设备的属性和某个驱动程序

的ID匹配时（既枚举过程完成），

这个驱动程序的prob函数就被khubd执行。

查看从设备时先让从设备进入下载状态，在PC终端

使用 lsusb 查看

***********************************/

static struct usb_device_id dnw_table [] = {

{ USB_DEVICE(USB_VID_TQ210, USB_PID_TQ210) },

{ },

};

/***********************************

文件操作：

************************************/

static int dnw_open(struct inode *inode, struct file *file)

{

/*分配内核空间*/

des_buffer = kmalloc(DES_BUF_SIZE,GFP_KERNEL);

return 0;

}

static ssize_t dnw_write(struct file *file, const __user char *buffer,

size_t count, loff_t *ppos)

{

size_t toWrite=0,totalshift=0;

int actual_length;

unsigned long ret = 0;

while(count > 0)

{

/*获取用户传输下来的数据*/

/*获取较小值*/

toWrite = min(count,(size_t)DES_BUF_SIZE);

ret = copy_from_user(des_buffer,buffer+totalshift,toWrite);

/*将数据提交给USB主控制器*/

usb_dev:指向需要操作的usb设备

管道操作:

usb_sndbulkpipe(usb_dev,bulk_out_endaddr)：建立usb设备与端点的批量传输管道

1)管道包括：端点地址

数据传输方向（IN/OUT）

数据传输模式:控制，中断，批量，等时

1）函数格式：usb_[rcv|snd][ctrl|int|bulk|isoc]pipe

actual_length：实际传输的字节数存放在这里

3*HZ：等待超时

usb_bulk_msg(usb_dev,usb_sndbulkpipe(usb_dev,bulk_out_endaddr),des_buffer,toWrite,&actual_length,3*HZ);

count -= toWrite;

totalshift+=toWrite;

}

return 0;

}

static int dnw_release(struct inode *inode, struct file *file)

{

kfree(des_buffer);

return 0;

}

/* file operations needed when we register this driver */

static const struct file_operations dnw_fops = {

.owner = THIS_MODULE,

.write = dnw_write,

.open = dnw_open,

.release = dnw_release,

};

struct usb_class_driver dnw_class = {

.name = "dnw%d",

.fops = &dnw_fops,

.minor_base = 100,

};

/****************************************************************************

设备捕获函数需要做的工作分析：

1、USB是围绕URB数据传输机制展开的，所以开始应该初始化URB，URB使用步骤：

1）分配内存：usb_alloc_urb():这个和网络设备差不多

2）初始化：usb_fill_[control|int|bulk]_urb

3）异步提交：usb_sumit_urb()：这项工作在读写操作函数中进行

2、同步提交URB接口函数：既使用一下函数就能完成1中三步的工作,这个函数适合在读写操作中进行

1）usb_[control|int|bulk]_msg()

3、批量传输属于字符设备操作，既要初始化字符操作函数集

1）usb_register_dev():该函数能将字符设备和USB总线关联在一起

综合以上分析：

prob只需做的就是第三步；关联字符设备

其他地方需要用到那种数据结构在来这里初始化就好了

****************************************************************************/

static int dnw_probe(struct usb_interface *intf,const struct usb_device_id *id)

{

int ret = -ENOMEM;

int i=0;

printk("Device prob!\n");

/* 接口设置描述 ,主机对每个接口的描述*/

struct usb_host_interface *interface;

struct usb_endpoint_descriptor *endpoint;

/*获取USB设备，在初始化URB中使用*/

usb_dev = usb_get_dev(interface_to_usbdev(intf));

/*获取接口*/

interface = intf->cur_altsetting;

/*获取目标端点*/

for(i=0;idesc.bNumEndpoints;i++)

{

endpoint = &interface->endpoint[i].desc;

if(usb_endpoint_is_bulk_out(endpoint))

{

bulk_out_endaddr = endpoint->bEndpointAddress;

break;

}

/*把字符设备和usb设备关联起来*/

if((ret = usb_register_dev(intf,&dnw_class)) < 0)

{

printk("usb_register_dev err!\n");

}

return ret;

}

void dnw_disconnect (struct usb_interface *intf)

{

usb_deregister_dev(intf,&dnw_class);

}

static struct usb_driver dnw_driver = {

.name = "dnw",

.probe = dnw_probe,

.disconnect = dnw_disconnect,

.id_table = dnw_table,

};

/***********************************

USB 同样是一种总线协议，所以初始化一般是向

其总线注册

************************************/

static int dnw_init(void)

{

/*1、向usb核心注册USB设备*/

int result;

if ((result = usb_register(&dnw_driver))) {

err("usb_register failed. Error number %d",result);

return result;

}

return 0;

}

static void dnw_exit(void)

{

/* deregister this driver from the USB subsystem */

usb_deregister(&dnw_driver);

}

MODULE_LICENSE("GPL");

MODULE_AUTHOR("Hntea");

module_init(dnw_init);

module_exit(dnw_exit);

说明：本文转载自：http://www.2cto.com/os/201605/513150.html