Linux 驱动开发之USB设备分析2

原创 于 2024-12-27 11:06:21 发布 · 746 阅读 · 23 ·
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#linux #驱动开发 #运维

Linux 驱动开发之USB设备分析2（基于Linux6.6）---数据结构介绍

一、struct usb_interface  接口函数

include/linux/usb.h 

struct usb_interface {
	/* array of alternate settings for this interface,
	 * stored in no particular order */
	struct usb_host_interface *altsetting;

	struct usb_host_interface *cur_altsetting;	/* the currently
					 * active alternate setting */
	unsigned num_altsetting;	/* number of alternate settings */

	/* If there is an interface association descriptor then it will list
	 * the associated interfaces */
	struct usb_interface_assoc_descriptor *intf_assoc;

	int minor;			/* minor number this interface is
					 * bound to */
	enum usb_interface_condition condition;		/* state of binding */
	unsigned sysfs_files_created:1;	/* the sysfs attributes exist */
	unsigned ep_devs_created:1;	/* endpoint "devices" exist */
	unsigned unregistering:1;	/* unregistration is in progress */
	unsigned needs_remote_wakeup:1;	/* driver requires remote wakeup */
	unsigned needs_altsetting0:1;	/* switch to altsetting 0 is pending */
	unsigned needs_binding:1;	/* needs delayed unbind/rebind */
	unsigned resetting_device:1;	/* true: bandwidth alloc after reset */
	unsigned authorized:1;		/* used for interface authorization */

	struct device dev;		/* interface specific device info */
	struct device *usb_dev;
	struct work_struct reset_ws;	/* for resets in atomic context */
};
#define	to_usb_interface(d) container_of(d, struct usb_interface, dev)

 struct usb_interface中的struct usb_host_interface *cur_altsetting成员，表示当前正在使用的设置,

1.1、struct usb_host_interface 

include/linux/usb.h 

/* host-side wrapper for one interface setting's parsed descriptors */
struct usb_host_interface {
	struct usb_interface_descriptor	desc;

	int extralen;
	unsigned char *extra;   /* Extra descriptors */

	/* array of desc.bNumEndpoints endpoints associated with this
	 * interface setting.  these will be in no particular order.
	 */
	struct usb_host_endpoint *endpoint;

	char *string;		/* iInterface string, if present */
};

具体到接口描述符，它当然就是描述接口本身的信息的。一个接口可以有多个设置，使用不同的设置，描述接口的信息会有些不同，所以接口描述符并没有放在struct usb_interface结构里，而是放在表示接口设置的struct usb_host_interface结构里。

二、struct usb_host_endpoint  端点函数

 include/linux/usb.h

struct usb_host_endpoint {
	struct usb_endpoint_descriptor		desc;
	struct usb_ss_ep_comp_descriptor	ss_ep_comp;
	struct usb_ssp_isoc_ep_comp_descriptor	ssp_isoc_ep_comp;
	struct list_head		urb_list;
	void				*hcpriv;
	struct ep_device		*ep_dev;	/* For sysfs info */

	unsigned char *extra;   /* Extra descriptors */
	int extralen;
	int enabled;
	int streams;
};

三、struct usb_device 设备函数

 include/linux/usb.h

struct usb_device {
	int		devnum;
	char		devpath[16];
	u32		route;
	enum usb_device_state	state;
	enum usb_device_speed	speed;
	unsigned int		rx_lanes;
	unsigned int		tx_lanes;
	enum usb_ssp_rate	ssp_rate;

	struct usb_tt	*tt;
	int		ttport;

	unsigned int toggle[2];

	struct usb_device *parent;
	struct usb_bus *bus;
	struct usb_host_endpoint ep0;

	struct device dev;

	struct usb_device_descriptor descriptor;
	struct usb_host_bos *bos;
	struct usb_host_config *config;

	struct usb_host_config *actconfig;
	struct usb_host_endpoint *ep_in[16];
	struct usb_host_endpoint *ep_out[16];

	char **rawdescriptors;

	unsigned short bus_mA;
	u8 portnum;
	u8 level;
	u8 devaddr;

	unsigned can_submit:1;
	unsigned persist_enabled:1;
	unsigned reset_in_progress:1;
	unsigned have_langid:1;
	unsigned authorized:1;
	unsigned authenticated:1;
	unsigned wusb:1;
	unsigned lpm_capable:1;
	unsigned lpm_devinit_allow:1;
	unsigned usb2_hw_lpm_capable:1;
	unsigned usb2_hw_lpm_besl_capable:1;
	unsigned usb2_hw_lpm_enabled:1;
	unsigned usb2_hw_lpm_allowed:1;
	unsigned usb3_lpm_u1_enabled:1;
	unsigned usb3_lpm_u2_enabled:1;
	int string_langid;

	/* static strings from the device */
	char *product;
	char *manufacturer;
	char *serial;

	struct list_head filelist;

	int maxchild;

	u32 quirks;
	atomic_t urbnum;

	unsigned long active_duration;

#ifdef CONFIG_PM
	unsigned long connect_time;

	unsigned do_remote_wakeup:1;
	unsigned reset_resume:1;
	unsigned port_is_suspended:1;
#endif
	struct wusb_dev *wusb_dev;
	int slot_id;
	struct usb2_lpm_parameters l1_params;
	struct usb3_lpm_parameters u1_params;
	struct usb3_lpm_parameters u2_params;
	unsigned lpm_disable_count;

	u16 hub_delay;
	unsigned use_generic_driver:1;
};
#define	to_usb_device(d) container_of(d, struct usb_device, dev)

四、struct usb_host_config 配置函数

 include/linux/usb.h

struct usb_host_config {
	struct usb_config_descriptor	desc;

	char *string;		/* iConfiguration string, if present */

	/* List of any Interface Association Descriptors in this
	 * configuration. */
	struct usb_interface_assoc_descriptor *intf_assoc[USB_MAXIADS];

	/* the interfaces associated with this configuration,
	 * stored in no particular order */
	struct usb_interface *interface[USB_MAXINTERFACES];

	/* Interface information available even when this is not the
	 * active configuration */
	struct usb_interface_cache *intf_cache[USB_MAXINTERFACES];

	unsigned char *extra;   /* Extra descriptors */
	int extralen;
};

五、总结

5.1、主要的 USB 数据结构及其联系

1. usb_device

  • 定义：usb_device 结构体表示一个 USB 设备，包含了与设备相关的所有信息。它是大多数 USB 操作的核心。

  • 字段：

    • dev: 设备的 Linux 设备结构体，通常包含设备的基本信息，如设备文件系统路径、设备节点等。
    • bus: 表示该设备所在的 USB 总线，类型为 usb_bus。
    • descriptor: 存储设备描述符信息（包括设备的类、子类、协议等）。
    • configuration: 配置描述符，指向当前的配置。
    • maxchild: 最大子设备数，用于支持 USB 集线器。
    • ep0: 设备的默认端点 0（控制端点），一个指向 usb_endpoint 的指针。

  • 联系：

    • usb_device 是 USB 设备的核心结构体，每个 USB 设备都会有一个 usb_device 实例。
    • 它关联了 USB 总线 (usb_bus)，描述了 USB 设备的硬件信息，并包含了设备的配置、端点信息等。
2. usb_interface

  • 定义：表示设备的一个接口，USB 设备可能有多个接口，每个接口代表了设备的一个功能。

  • 字段：

    • altsetting: 存储设备接口的替代设置信息，每个接口可以有多个配置，代表不同的操作模式。
    • cur_altsetting: 当前活动的接口设置。
    • num_altsetting: 接口设置的数量。
    • dev: 关联的设备的 usb_device 结构体。

  • 联系：

    • 一个 USB 设备可能有多个接口，每个接口都有自己的接口描述符（如 interface descriptor）。
    • 每个 usb_interface 结构体指向一个 usb_device 结构体，表示该接口属于哪个设备。
3. usb_endpoint_descriptor

  • 定义：表示 USB 端点的描述符，用于描述一个端点的属性（如端点的方向、类型、最大包大小等）。

  • 字段：

    • bEndpointAddress: 端点的地址（包括方向）。
    • bmAttributes: 端点的类型（如批量、控制、中断、等时）。
    • wMaxPacketSize: 最大包大小。
    • bInterval: 中断传输的间隔（适用于中断端点）。

  • 联系：

    • usb_endpoint_descriptor 与 usb_interface_descriptor 紧密相关，因为每个接口都可能有多个端点。
    • 端点描述符是 usb_interface 的一部分，表示设备与主机之间的数据传输通道。
4. usb_host_interface

  • 定义：该结构体表示 USB 主机端的接口信息，通常在 USB 主机驱动中使用。

  • 字段：

    • desc: 存储 USB 接口描述符，描述接口的类型、功能等。
    • endpoint: 该接口的所有端点信息。

  • 联系：

    • usb_host_interface 和 usb_interface 结构体之间有紧密的联系，因为它们分别代表主机端和设备端的接口信息。
5. usb_driver

  • 定义：表示 USB 驱动程序的结构体，用于描述如何与设备交互。

  • 字段：

    • name: 驱动程序的名称。
    • probe: 驱动的探测函数，当一个 USB 设备插入时，会调用此函数来匹配设备。
    • disconnect: 驱动的断开函数，当设备被移除时，调用此函数。
    • id_table: 设备 ID 表，用于与特定设备匹配。

  • 联系：

    • usb_driver 与 usb_device 紧密相关。每当有 USB 设备插入时，驱动程序会根据设备的 ID 信息（如设备描述符）来匹配是否需要该驱动。
6. usb_bus

  • 定义：表示一个 USB 总线，包含所有通过该总线连接的 USB 设备。

  • 字段：

    • devices: 指向该总线连接的设备列表。
    • root_hub: 表示 USB 总线的根集线器。

  • 联系：

    • usb_device 和 usb_bus 之间的关系是每个 USB 设备都属于某个总线。一个总线上可以有多个设备。
7. usb_request（usb_control_msg）

  • 定义：表示一个 USB 控制请求，用于发起控制传输。

  • 字段：

    • bRequest: 请求类型。
    • wValue 和 wIndex: 请求参数。
    • data: 要传输的数据，或者用于接收数据的缓冲区。
    • length: 数据的长度。

  • 联系：

    • 控制请求通常通过 usb_device 的端点 0 发送。
    • usb_request 或 usb_control_msg 用于发送控制传输请求，通常是驱动程序向设备发送命令，或获取设备信息。

5.2、Linux USB 设备数据结构联系图

+--------------------------+
|      usb_device          | <---------------------------------------+
|--------------------------|                                         |
| - dev                    |                                         |
| - bus                    |                                         |
| - descriptor             |                                         |
| - configuration          |                                         |
| - ep0                     |                                         |
| - maxchild               |                                         |
| - ...                     |                                         |
+--------------------------+                                         |
        |                                                           |
        v                                                           |
+--------------------------+                                         |
|     usb_interface        |  <---------------------+                 |
|--------------------------|                       |                 |
| - num_altsetting         |                       |                 |
| - altsetting             |                       |                 |
| - dev                    |                       |                 |
| - cur_altsetting         |                       |                 |
+--------------------------+                       |                 |
        |                                           |                 |
        v                                           |                 |
+---------------------------+                      |                 |
| usb_interface_descriptor  |                      |                 |
|---------------------------|                      |                 |
| - bInterfaceClass         |                      |                 |
| - bInterfaceSubClass      |                      |                 |
| - bInterfaceProtocol      |                      |                 |
| - bNumEndpoints           |                      |                 |
+---------------------------+                      |                 |
        |                                           |                 |
        v                                           |                 |
+---------------------------+                      |                 |
| usb_endpoint_descriptor   |                      |                 |
|---------------------------|                      |                 |
| - bEndpointAddress        |                      |                 |
| - bmAttributes            |                      |                 |
| - wMaxPacketSize          |                      |                 |
| - bInterval               |                      |                 |
+---------------------------+                      |                 |
        |                                           |                 |
        v                                           |                 |
+---------------------------+                      |                 |
|     usb_endpoint          | <--------------------+                 |
|---------------------------|                                        |
| - desc                     |                                        |
| - ep_type                  |                                        |
| - maxpacket                |                                        |
| - transfer_flags           |                                        |
+---------------------------+                                        |
        |                                                           |
        v                                                           |
+--------------------------+                                         |
|       usb_driver          |                                         |
|--------------------------|                                         |
| - name                    |                                         |
| - probe                   |                                         |
| - disconnect              |                                         |
| - id_table                |                                         |
+--------------------------+                                         |
        |                                                           |
        v                                                           |
+--------------------------+                                         |
|        usb_bus            |                                         |
|--------------------------|                                         |
| - devices                 |                                         |
| - root_hub                |                                         |
+--------------------------+                                         |

说明：

  1. usb_device：

    • 表示一个 USB 设备，包含设备的基本信息、USB 总线 (usb_bus)、接口配置、端点 (ep0 是默认控制端点) 等。每个 USB 设备由 usb_device 结构表示，它是其他结构体（如接口、端点）的容器。
    • 它是 USB 子系统的核心数据结构，所有的 USB 设备都通过它来管理。

  2. usb_interface：

    • 每个 USB 设备可能有多个接口，表示设备的不同功能（例如：音频接口、存储接口等）。每个接口由 usb_interface 结构表示。
    • 一个 usb_interface 可以有多个配置（altsetting），每个配置可能对应不同的工作模式。usb_interface_descriptor 是接口的描述符，包含了接口的基本属性。

  3. usb_endpoint_descriptor：

    • 描述设备的端点特性，每个接口可以包含多个端点（用于数据传输）。每个端点的属性（如地址、最大包大小、类型等）通过 usb_endpoint_descriptor 描述。

  4. usb_endpoint：

    • 表示端点的实例，包含具体的端点信息（如类型、最大包大小等）。它是与设备进行数据传输的通道。

  5. usb_driver：

    • USB 驱动程序的数据结构，负责处理设备的探测、断开以及数据传输。驱动程序会在 probe() 函数中与设备进行匹配，并且与设备的 usb_device 结构进行交互。

  6. usb_bus：

    • 每个 USB 总线包含一组设备。usb_bus 结构包含了与总线相关的设备列表和根集线器。每个设备都会连接到某个 USB 总线。

5.3、主要数据结构之间的关系：

  • usb_device 和 usb_interface：一个 usb_device 可能有多个接口，每个接口由 usb_interface 表示。
  • usb_interface 和 usb_interface_descriptor：每个接口都有一个描述符 usb_interface_descriptor，用来描述该接口的属性。
  • usb_interface 和 usb_endpoint_descriptor：每个接口可能有多个端点，它们由 usb_endpoint_descriptor 来描述。
  • usb_endpoint：与 usb_endpoint_descriptor 对应，它包含了具体的端点实现和传输相关的信息。
  • usb_driver：与设备进行交互，并通过 usb_device 结构来管理设备的生命周期。
  • usb_bus：一个 usb_device 属于一个 usb_bus，每个总线上可能有多个设备。

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