Linux驱动框架——USB驱动简单分析

最新推荐文章于 2022-03-12 11:57:45 发布

superboy_ZJC

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分类专栏：课程笔记——操作系统定制技术

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本文介绍了Linux中的USB驱动框架，包括USB设备基础知识如端点、接口和配置，以及USB驱动框架源码分析。Linux内核提供了USB core来处理复杂的USB设备交互，驱动通过USB驱动框架与主机控制器和硬件设备进行通信。USB端点分为控制、中断、批量和等时传输四种类型。USB设备的接口和配置在内核中由特定结构体描述。通过对`usb_skeleton.c`的分析，揭示了USB驱动的注册、匹配和设备操作过程。

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Linux驱动框架——USB驱动

通用串行总线USB（Universal serial bus）通常用于外围设备与主机之间的连接，USB使用树型结构，主机作为根，集线器作为节点，外围设备作为树叶。

Linux当前支持几乎所有USB类设备（标准类型的设备，如键盘，鼠标，调制解调器，打印机和扬声器），以及越来越多的特定于供应商的设备（如USB到串行转换器，数码相机，以太网设备和MP3播放器等）。

也有一部分USB设备是Linux不支持的，这些设备一般都是由供应商单独开发协议，大部分会开放协议给驱动人员开发使用。

由于不同的通信协议都需要自定义创建新的驱动程序，因此Linux开发者开发了一套USB驱动通用框架，它是源码中的drivers/usb/usb-skeleton.c。

USB设备很复杂（http://www.usb.org）。幸运的是Linux内核提供了一个叫做USB core的驱动子系统处理大多数的复杂情况。如下图，USB Core向上提供给驱动接口，让驱动可以简单的对USB主机控制器进行控制操作，从而对USB硬件设备进行控制操作。

USB设备基础知识

下面介绍Linux中USB设备的组织结构。

端点Endpoint

USB的通过端点来进行通信，USB的端点类似于单向管道，它的通信是单工的。USB的端点一共有以下四种类型：

控制传输

控制传输主要用于向设备发送配置信息、获取设备信息、发送命令道设备，或者获取设备的状态报告。控制传输一般发送的数据量较小，当USB设备插入时，USB核心使用端点0对设备进行配置，另外，端口0与其他端点不一样，端点0可以双向传输。

中断传输

中断传输就是中断端点以一个固定的速度来传输较少的数据，USB键盘和鼠标就是使用这个传输方式。这里说的中断和硬件上下文中的中断不一样，它不是设备主动发送一个中断请求，而是主机控制器在保证不大于某个时间间隔内安排一次传输。中断传输对时间要求比较严格，所以可以用中断传输来不断地检测某个设备，当条件满足后再使用批量传输传输大量的数据。

批量传输

批量传输通常用在数据量大、对数据实时性要求不高的场合，例如USB打印机、扫描仪、大容量存储设备、U盘等。

等时传输

等时传输同样可以传输大批量数据，但是对数据是否到达没有保证，它对实时性的要求很高，例如音频、视频等设备。

端点的数据结构

内核中，使用usb_host_endpoint来描述USB端点，这个结构体中包含了一个保存端点信息的结构体usb_endpoint_descriptor，驱动一般会关心其中保存的端点地址bEndpointAddress、端点类型bmAttributes、端点处理的最大字节数wMaxPacketSize、以及如果是中断类型端点的中断时间bInterval。

接口Interface

由上面的USB设备结构图我们可以看到，USB设备的端点包含在接口Interface中。USB接口用于每个USB接口仅控制着一种类型的USB连接，例如鼠标、键盘或者音频流。大多数的USB设备存在多个接口，因为每一个接口代表一个基础功能，因此每一个接口都需要一个驱动程序驱动。

USB接口在内核中使用usb_interface结构体描述，这个结构体一般由USB core传递给USB驱动，由USB驱动进行控制。比较重要的成员变量有：struct usb_host_interface *altsetting控制字段、unsigned num_altsetting控制数量、struct usb_host_interface *cur_altsetting指向控制选项的指针、int minor次设备号。

配置Configurations

由上面的USB设备结构图我们可以看到，USB设备的接口包含在配置Configurations中。一个USB设备可以有多种配置，但是每一个时间点只能启用生效一个配置。

Linux内核中使用usb_host_config结构体描述USB设备的配置。一般来说驱动无需对配置进行读写操作。

USB驱动框架源码分析

其实稍微阅读一下源码就会发现，USB驱动框架和之前研讨过的帧缓冲驱动框架非常相似。都是一个文件用来组装加载驱动框架的内核模块usb-skeleton.c（帧缓冲是fbmem.c），一个文件用来描述驱动框架相关的数据结构以及驱动注册方法等usb.h（帧缓冲是fb.h）。

因此，先初步断定，Linux中的驱动框架都是一个套路，所以按照以往的经验，先从usb-skeleton.c这个驱动框架的模块入手分析。既然是Linux模块，当然要从入口处先分析了！下面审计模块初始函数usb_skel_init。

static int __init usb_skel_init(void)
{
   
	int result;

	/* register this driver with the USB subsystem */
    //
	result = usb_register(&skel_driver);
	if (result)
		err("usb_register failed. Error number %d", result);

	return result;
}