Linux usb主机控制器HC阅读

intel的UHCI
一种usb主机控制器的接口规范，遵守它的硬件称为UHCI主机控制器，Linux中，把这种硬件叫做HC，host controller，与之对应的软件，叫做HCD，hc driver，
depends on usb & pci：
它的内核软件模块代码是uhci-hcd.c
uhci_hcd_init初始化开始：
usb_disable函数：在启动参数cmdline，加入nousb参数可以禁止usb模块
kmalloc和kmem_cache_creat：slab分配器的接口函数，用于创建一个cache，之后可以使用kmem_cache_zalloc申请内存了
debugfs_creat_dir：虚拟的一个文件系统，挂载在/sys/kernel/debug下面
pci_register_driver：注册一个pci驱动
usb_hcd_pci_probe：pci驱动的开始
hcd的代码，一部分在core下，hcd-pci.c、hcd.c，公共的代码，，另一部分在host下面，具体的控制器代码，如uhci，xhci等

pci_enable_device：pci设备使用之前必须调用的，激活pci设备上的IO资源和内存资源
图中寄存器有必须也有非必须的，class就是必选的，usb的class code就是0x0C03
usb_creat_hcd：正式进入hcd，主要就是为了给struct usb_hcd申请内存空间并且初始化
struct hc_driver结构体描述一个主机控制器设备
struct usb_hcd结构体描述一个主机控制器驱动
一个主机控制器意味着一条总线，所以还有一个结构体：struct usb_bus
IO内存和IO端口
有处理器，内存和IO是独立编址独立寻址的，所以有了内存空间和IO空间，访问内存和IO空间要使用不同的指令，IO端口的物理地址被映射到IO地址空间，IO映射
嵌入式处理器中，只有一个地址空间，内存空间，那IO端口的物理地址就要被映射到内存地址空间中，内存映射
Linux中，IO Memory和IO ports都被视作一种资源，分别被记录在/proc/iomem和/proc/ioports中
要使用IO内存首先要申请（request_mem_region），然后再映射（ioremap或者ioremap_nocache）
usb_add_hcd：
1、hcd_buffer_creat：初始化一个buffer池，
DMA：直接内存访问，cpu直接和设备数据传输
usb主机控制器控制着一条usb总线，总线一项工作就是在内存和usb总线之间传输数据，这个过程不适用DMA就是PIO方式，使用DMA就似乎HCD这边先创建一个内存池，然后设备驱动可以直接使用
在hcd_buffer_creat中调用dma_pool_creat函数，去创建DMA池，结构体是struct dma_pool
2、使用dma_pool_alloc和dma_pool_free去从dma池中使用和释放，usb中对应usb_buffer_alloc和usb_buffer_free
控制器是否支持DMA操作，看dma_mask的值不为NULL
3、usb_register_bus： bus_map，一共有64位，可以有64条usb总线
class_device_create，/sys/class下创建了usb_host类
usb_notify_add_bus：牵涉内核的notify机制，常用的一种事件回调处理机制

主机控制器初始化

usb_alloc_dev：为root_hub申请一个struct usb_device结构体并初始化，root_hub的parent指针指向了controller本身
device_init_wakeup：第二个参数是1意味着把root_hub的wakeup能力打开，0可以关闭
uhci_init：struct uhci_hcd
hcd_to_uhci：uhci_hcd和usb_hcd之间的转换，
然后决定root_hub有几个端口了，端口号从0开始，UHCI的root_hub最多不能超过8个端口，最少有2个端口
继续回到usb_add_hcd中：
hcd->irq记录中断号，使用request_irq请求中断，中断句柄：第一个参数就是中断号，irqnum一路传下来的，就是最初的dev->irq，第二个参数就是中断句柄，usb_hcd_irq；第三个参数是irqflags，这里是IRQF_SHARED，表示这中断可以被多个device共享；第四个参数字符串；第五个参数用来表示使用中断的设备，一个指针，区分不同的设备，可以设为NULL；
usb_hcd_irq很重要，主机控制器需要中断的时候被调用

driver->start：uhci_start

usb_hcd_pci_probe ——》usb_add_hcd ——》uhci_start
TD：usb总线上传输的数据包，Transaction Descriptor
QH：队列头，Queue Head
SKEL：框架
toggle：反转位
对主机控制器，四种传输方式有优先级区别：等时传输 > 中断传输 > 控制传输 > Bulk传输； 等时和中断都是周期传输
start_rh：rh表示root_hub
最后设置uhci->rh_state为UHCI_RH_RUNNING，并设置uhci_tohcd(uhci)->poll_rk为1，到这里，uhci_start可以返回了，又回到usb_add_hcd中

root_hub的注册

回到usb_add_hcd之后，得到rhdev的bus_mA，默认值是0，表示没有限制，hub中给它每个端口设置最多500mA
Frame：帧
register_root_hub：
root_hub的devnum设置为1，因为hub设备树的起源就是root_hub，
之后记录bus的devnum_next，从2开始
初始化bus的devmap，并且把root hub的那把交椅先给占了
usb_set_device_steta()函数，设置hub状态，比如USB_STATE_ADDRESS
设置root hub的wMaxPacketSize为64，然后获取root hub的设备描述符
usb_new_device，将root hub添加到usb设备链表中，这里真正注册了root hub
如果正在注册中把主机控制器驱动卸载了，就去执行usb_hc_died，它里面会调用usb_kick_khubd，然后出发hub_events，因为这时hub处于NOTARRACHED状态，会调用hub_pre_reset处理后事，
usb_hcd_poll_rk_status：
天生为了中断传输
uhci_hub_status_data——》uhci_scan_schedule——》uhci_clear_next_interrupt——》uhci_get_current_frame_number
uhci_check_port：遍历root hub的端口，读取对应的端口寄存器
get_hub_status_data：
usb_hcd_poll_rk_status遍历端口，读取每个端口的寄存器，如果有变化，就把信息存在buf中，函数中有个buffer数组，它被一次次的传递下来。buf一共32个bits，这里凡是一个端口的寄存器里面有东西（处理状态改变位以外），就在buf的设置相应的位为1
然后判断rk_status了，前面在start_rh中设置了为RUNNING，所以这里执行any_ports_active
再去读取端口寄存器，其中CCS表示端口连接有变化
在start_rh中有个mod_timer，在usb_creat_hcd那里就初始化了，绑定了函数rh_timer_func，它还是调用了usb_hcd_poll_rh_status，所以它被多次调用，延时250ms，轮询

ROOT_HUB控制传输，usb_submit_urb

register_root_hub()——》usb_get_device_descriptor（）——》usb_get_descriptor（）——》usb_control_msg（）——》usb_internal_control_msg（）——》usb_start_wait_urb（）——》usb_submit_urb（）——》usb_hcd_submit_urb（）
每个endpoint都维护着一个urb_list，所有与它相关的urb都放到这个队列中；
rh_urb_enqueue会被执行，对于非root_hub的，driver->urb_enqueue会被执行
rh_urb_enqueue：控制传输的话，调用rh_call_control
对于控制传输，首先获得它的setup_packet，来自urb结构体，然后把它给cmd指针，然后把其中的各个成员都取出来，分别给临时变量：typeReq、wValue、wIndex、wLength
然后判断typeReq，根据设备请求方向IN、OUT或者端点请求方向IN、OUT，做各种操作，给len赋值，都是usb spec中规定的
如果是hub特定的类请求，而且是GetHubStatus或者GetPortStatus，则设置len为4
如果是hub特定的类请求，而且是GetHubDescriptor，则设置len为usb_hub_descroptor结构体大小
最后对于hub特定类请求，要调用主机控制器驱动程序的hub_control函数，对于uhci就是uhci_hub_control
uhci_hcd结构体有个成员，dead，它如果是1就表明控制器挂了
如果请求是GetPortStatus，调用uhci_check_ports，然后读端口寄存器，USBPORTSC_SCS表示端口连接有变化，USBPORTSC_PEC表示port enable有变化，USBPORTSC_OCC表示over current有变化，
以上做的一切都是为了获得，wPortStatus和wPortChange，以此来响应GetPortStatus这个请求
回到rh_call_control，switch结束了，然后调用usb_hcd_givback_urb函数：
里面调用了urb的complete函数，然后rh_call_control函数也返回了，complete函数也是让回到了usb_start_wait_urb去，而控制传输需要的数据也已经copy到了urb->transfer_buffer中去了；控制传输完成了，usb_get_device_descriptor函数完成

非root hub的控制传输，

usb_submit_urb（）——》usb_hcd_submit_urb（）——》uhci_urb_enqueue（）——》uhci_submit_control（）——》uhci_add_td_to_urbp（）
新增了一个结构体 struct urb_priv，
在uhci_hcd_init中使用kmem_cache_creat创建了一个cache，并给了uhci_ip_cachep，现在要使用内存了，用kmem_cache_zalloc函数去取
控制传输有三个阶段，分别是Setup阶段，数据阶段（Data），状态阶段（Status）； data阶段非必须的，
setup阶段对应一个TD，数据节点有一个或者N个TD，状态阶段对应一个TD，所以控制传输就是建立好几个TD连接起来
uhci_add_td_to_urbp，每个urb都有一个队列，所有它的TD都被链到这td_list中，咱们调用usb_submit_urb提交了一个urb，但这个urb可以包含很多个TD，并且要链入一个队列，然后用uhci_fill_td来填充整个TD，
最终，uhci_submit_control函数返回到uhci_urb_enqueue中，把整个urb链接到qh队列中，qh的队列是专门组建urb队列的，一个Normal qh可以带多个urb，一个urb又可以带多个td
fsbr：带宽回收的一个特性，如果各个qh都被执行了一遍之后带宽还有剩，就回收利用
uhci_urbp_wants_fsbr结束之后，uhci_urb_enqueue也就结束了，usb_submit_urb结束，控制传输要传送的数据，也通过urb的transfer_buffer传送了，urb的complete函数仍然会被调用

非root hub的Bulk传输

root_hub没有bulk传输，所以看非root_hub的bulk传输
usb_submit_urb（）——》usb_hcd_submit_urb（）——》start_rh（）——》uhci_submit_bulk（）——》uhci_submit_common（）
在start_rh中设置了hcd->state状态为RUNNING，所以这里list_add_tail会被执行，这个urb会被加入到ep的urb_list队列中去
然后driver->urb_enqueue会被执行，再次进入了uhci_urb_enqueue，然后uhci_alloc_urb_priv和uhci_alloc_qh会再次被执行以申请urbp和qh，但这次不会调用uhci_submit_control，而调用的是uhci_submit_bulk（）函数，
uhci_submit_bulk：除了设置qh->skel为SKEL_BULK以外，就是调用uhci_submit_common，这个函数在后面中断传输中也调用
因为bulk传输和中断传输一样，就是一个节点，直接传递数据就可以了，然后成功返回再调用uhci_add_fsbr把urbp->fsbr设置为1
uhci_submit_common：
maxsze等于端点描述符里记录的wMaxPacketSize，即包的最大size，传输的长度小于maxsze，说明这个包是最后一个包了，
两个队列，td->liist，td->link；一个虚拟地址，一个物理地址的；因为usb主机控制器不认识虚拟地址，但从软件角度，要保证CPU能够访问各个TD，又必须要虚拟地址，从而使得cpu可以对uhci_td数据结构进行常规的队列操作，uhci_submit_common函数结束后，各个TD就组成了一个QH
控制器基本职责就是取TD和执行TD，这里TD建立好了，也连接好了，剩下的具体执行就是硬件的事情
TD队列过程：uhci_alloc_td、uhci_add_td_to_urbp、uhci_fill_td，申请td，加入大部队，填充
结束uhci_submit_common之后回到uhci_submit_bulk，uhci_urb_enqueue，最后urb的complete函数被执行，这个complete函数在root_hub时在hcd_giveback_urb中被调用，非root_hub的，为控制传输和Bulk传输的最后一个TD设置了IOC，于是该TD完成之后的那个Frame，主机控制器会向CPU发送中断，于是中断函数会被调用

中断服务程序（ISR）

在usb_add_hcd中使用了request_irq注册了中断函数，现在开始调用了usb_hcd_irq
USBSTS就是UHCI的状态寄存器，USBSTS_USBINT标志状态寄存器的bit0，bit0对应于IOC，USBSTS_ERROR对应于bit1，USBSTS_RD对应于bit2，RD就是resume detect，主机控制器在接收到resume信号会把它置为1，
usb_hcd_irq——》uhci_scan_schedule——》uhci_advance_check——》uhci_result_common——》uhci_fixup_short_transfer——》usb_hcd_giveback_urb——》uhci_make_qh_idle

root hub的中断传输

中断传输和等时传输都是周期性的
usb_submit_urb开始，在hub驱动的probe中，在hub探测过程中，会提交一个urb，是一个中断urb，通过usb_submit_urb提交
PIPE_ISOCHRONOUS：等时管道
PIPE_INTERRUPT：中断管道
usb_submit_urb——》usb_hcd_submit_urb——》rh_urb_enqueue——》rh_queue_status——》rh_urb_enqueue——》usb_hcd_submit_urb——》usb_submit_urb
如果root hub端口没什么改变的话，usb_submit_urb为root_hub而提交的中断urb不干什么事，

非root hub的中断传输

usb_submit_urb——》usb_hcd_submit_urb——》driver->urb_enqueue——》uhci_urb_enqueue——》uhci_submit_interrupt
带宽：单位时间内传输的数据量，就是单位时间内最大可能提供多少个二进制传输，等时传输和中断传输，需要分配带宽
根据interval确定最终的period，最终设定的周期period都是2的整数次方，只要period小于等于interval就行
bmAttributes：这属性的bit1和bit0表征了端点的传输类型，00为控制，01为等时，10为Bulk，11为中断
在提交中断或者等时的urb时，需要检查带宽，uhci_check_bandwidth

等时传输

usb_submit_urb——》usb_hcd_submit_urb——》uhci_urb_enqueue——》uhci_submit_isochronous
usb_submit_urb开始，判断PIPE_ISOCHERONOUS就是判断是不是等时传输，urb的成员number_of_packets用来指定处理的等时传输缓冲区的数量，即这个等时传输要传多少个packet，每一个packet都用usb_iso_packet_descriptor结构体描述，对于每一个packet都要建立一个TD
urb还有一个成员iso_frame_desc[0]，零长数组，用来urb定义多个等时传输，这个数组实际长度就是前面的number_of_packet大小，是在usb_alloc_urb()申请urb时就确定了
uhci_submit_isochronous，URB_ISO_ASAP这个flag时专门给等时传输用的，告诉驱动，只要带宽允许，就从此点开始设置这个urb的start_frame变量，通常为了尽快得到图像数据，要在urb种指定这个flag，因为它会尽可能快的发出本urb
回到uhci_urb_enqueue，下一步执行uhci_activate_qh，在这里调用link_iso，加入到skel_iso_qh队列中

EHCI

EHCI仅仅支持高速传输，所以它还必须要一个协助控制器HC，入UHCI来支持低俗和全速设备
FS和LS设备插入到root hub port，会由companion HC（uhci、ohci）发现并管理设备
FS和LS设备插入到usb2.0 hub（非root hub），由ehci通过split transaction（分离事务）和transaction transaction（tt）支持设备
EHCI接口体系
EHCI是一个PCI设备

1、pci configuration space：由于EHCI是一个PCI设备，这里用于系统组件枚举和PCI的电源管理
读取PCI的套路：假如读取PCI总线上地址为add，长度为4字节的内容：
outl（add， 0xcf8）； \先把add的out到地址为0xcf8的地方
value = inl（0xcfc）； \然后再读取0xcfc的内容
每个PCI外设有一个总线号，一个设备号，一个功能号标识号：00：1a：7；00总线号，1a设备号，7功能号
2、register space：这是基于内的IO寄存器，就是IO内存
可以读/proc/iomem看IO内存的分配情况，这内存不可以直接读写，先要调用ioremap或者ioremap_nocache映射成虚拟地址后再使用；因为软件读写要用虚拟地址（地址不够）
3、schedule interface space：普通的内存，可以直接访问

套路

加载ehci-hcd驱动之后，也符合sysfs那里说的设备模型，两个重要链表挂在bus上，一个是设备device链表，一个是驱动driver链表
每当向一个bus注册驱动时的套路：
driver_register（）——》bus_add_driver（）——》driver_attach（）——》bus_for_each_dev（）——》device_attach（）——》driver_probe_device（）
bus_for_each_dev遍历该总线上所有的device，执行一次device_attach（），看能不能将设备关联（attach）到某个已登记的驱动上去
总结：注册一个某bus的驱动，就是先把驱动自己链入到bus驱动链表中去，再从bus的设备链表中寻找，有没有自己可以关联上的设备；找到probe，再把二者bing起来；反之添加设备也是一样的
module_init（）——》pci_register_driver（）——》driver_register（）
判断一个设备和驱动是否匹配，是看设备的描述符是否和驱动所支持的一样：
pci_match_device（）——》driver->dynid，driver->id_table（由一系列的pci_device_id构成）——》找到返回pci_device_id——》pce_device_id->driver_data指向了每个pci设备驱动所特有的数据结构