Linux下USB子系统软件结构

Linux下USB子系统软件结构

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USB 内核（USB驱动，USBD ）处于系统的中心，对于它进行研究是能够进行USB驱动开发（包括客户驱动和主机驱动）的第一步。它为客户端驱动和主机控制器驱动提供了主要数据结构和接口函数，主要有四类功能：客户端驱动管理，USB设备的配置和管理，主机控制器的管理，协议控制命令集和数据传输的管理。

主要有四个数据结构:
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(1) USB设备 usb_device，保存了一个USB设备的信息，包括设备地址，设备描述符，配置描述符，等等
(2) USB总线系统usb_bus，保存了一个USB总线系统的信息，包括总线上设备地址信息，根集线器，带宽使用情况等。一个USB总线系统肯定有一个主机控制器和一个根集线器。Linux支持多USB总线系统
(3) 客户端驱动程序 usb_driver，保存了客户驱动信息，包括驱动名称，以及驱动提供给USB内核使用的函数指针等
(4) (USB Request Block)urb，是进行USB通信的数据结构。Linux的USB子系统只使用这么一种数据结构来进行USB通信，urb包含了建立任何USB传输所需的所有信息，并贯穿于USB协议栈对数据处理的整个过程。







USBD层称为USB内核(core), USB内核分别为客户端驱动程序层和主机控制器驱动程序层提供了一套函数集。它这样做的目的是为了更好地扩展客户端驱动程序和主机控制器驱动程序

         USB Client Drivers
           \    |    /
            \   |   /
            |   |   |  
|--------------------------------|
|              USBD              |   usb核心层
|--------------------------------|
        |               |
        |               |
    HC Driver 1    HC Driver 2
     (OHCI)           (EHCI)

Linux 下USB相关的源代码主要集中在/linux-2.6.12/drivers/usb/目录下，根据功能可分成以下4个部分： 文件系统、 USBD、 主机控制器驱动程序、 客户端驱动程序



USBD提供的功能(接口)：
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1.   客户端驱动程序的管理
    usb_register(struct usb_driver *new_driver)
    usb_deregister(struct usb_driver *dirver)

2. 协议控制命令集
    usb_get_status()
    usb_clear_halt()
    usb_set_address()
    usb_get_descriptor()
    usb_get_string()
    usb_get_device()
    usb_set_configuration()
    usb_set_interface()
    usb_get_class_descriptor()
    usb_get_protocol()

3. 数据传输的管理
    usb_alloc_urb()
    usb_free_urb()
    usb_submit_urb()
    usb_unlink_urb()

4.     USB设备的配置和管理
    usb_connect()
    usb_disconnect()
    usb_new_device()
    usb_reset_device()

5.     主控制器的管理
    usb_alloc_bus()
    usb_free_bus()
    usb_register_bus()
    usb_deregister_bus()


USB内核定义了主控制器驱动程序提供的，被USB内核所调用的函数接口
usb_operations

struct usb_operations
|---------------------|
| get_frame_number() -| hcd_get_frame_number()
| submit_urb()        | hcd_submit_urb()
| unlink_urb()        | hcd_unlink_urb()
| buffer_alloc()      | hcd_buffer_alloc()
| buffer_free()       | hcd_buffer_free()
| disable()           | hcd_endpoint_disable()
| hub_suspend()       | hcd_hub_suspend()
| hub_resume()        | hcd_hub_resume()
|---------------------|
这些接口的具体实现由主控制器(OHC或UHC)驱动给出

注： 结构usb_operations中的函数最终会调用结构hc_driver中相应函数来完成其功能. hcd_submit_urb() --> ohci_urb_enqueue()






struct hc_driver ohci_omap_hc_driver
(linux-2.6.12)
--------------------------------------------------
/*
* FIXME usb_operations should vanish or become hc_driver,
* when usb_bus and usb_hcd become the same thing.
*/

   struct hc_driver
|--------------------|
|char   *description | hcd_name
|char   *product_desc| "OMAP OHCI"
|size_t hcd_priv_size| sizeof(struct ohci_hcd)
|               irq()| ohci_irq()
|int    flags        | HCD_USB11 | HCD_MEMORY
|             reset()|
|             start()| ohci_omap_start()
|           suspend()|
|            resume()|
|              stop()| ohci_stop()
| -get_frame_number()| ohci_get_frame()
|       urb_enqueue()| ohci_urb_enqueue()
|       urb_dequeue()| ohci_urb_dequeue()
| -endpoint_disable()| ohci_endpoint_disable()
|   hub_status_data()| ohci_hub_status_data()
|       hub_control()| ohci_hub_control()
|       hub_suspend()| ohci_hub_suspend()
|        hub_resume()| ohci_hub_resume()
| -start_port_reset()| ohci_start_port_reset()
|--------------------|
static const char   hcd_name [] = "ohci_hcd";

对于OHCI协议来说，以上接口除了ohci_omap_start()之外，其他接口对于各种芯片(处理器)来说是公用(通用)的，下面以omap处理器为例。











OMAP处理器
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omap模块中的usb_hcd_omap_probe()通过调用USBD提供的接口:usb_create_hcd()将结构体struct hc_driver ohci_omap_hc_driver中的函数注册给USBD

ohci_hcd_omap_drv_probe()-> usb_hcd_omap_probe()-> usb_create_hcd()
static int ohci_hcd_omap_drv_probe(struct device *dev)
{
    return usb_hcd_omap_probe(&ohci_omap_hc_driver,to_platform_device(dev));
}

int usb_hcd_omap_probe (const struct hc_driver *driver,
                        struct platform_device *pdev)
{
    ...
    usb_create_hcd (driver, &pdev->dev, pdev->dev.bus_id);
    ...
    usb_add_hcd(hcd, platform_get_irq(pdev, 0), SA_INTERRUPT);
    ...
}



struct device_driver ohci_hcd_omap_driver
--------------------------------------------------
static struct device_driver ohci_hcd_omap_driver = {
    .name       = "ohci",
    .bus        = &platform_bus_type,
    .probe      = ohci_hcd_omap_drv_probe,
    .remove     = ohci_hcd_omap_drv_remove,
#ifdef CONFIG_PM
    .suspend    = ohci_omap_suspend,
    .resume     = ohci_omap_resume,
#endif
};

ohci_hcd_omap_driver驱动所提供的接口通过模块初始化时的 driver_register()注册到内核中
static int __init ohci_hcd_omap_init (void)
{
    return driver_register(&ohci_hcd_omap_driver);
}
module_init (ohci_hcd_omap_init);