這一章從主機側(cè)角度看到的USB 主機控制器驅(qū)動和設(shè)備驅(qū)動從主機側(cè)的角度而言，需要編寫的USB 驅(qū)動程序包括主機控制器驅(qū)動和設(shè)備驅(qū)動兩類，USB 主機控制器驅(qū)動程序控制插入其中的USB 設(shè)備，而USB 設(shè)備驅(qū)動程序控制該設(shè)備如何作為從設(shè)備與主機通信。

1. Linux USB驅(qū)動層次

1.1 主機側(cè)與設(shè)備側(cè)USB 驅(qū)動

　　USB 采用樹形拓撲結(jié)構(gòu)，每條總線上只有一個主機控制器，負責(zé)協(xié)調(diào)主機和設(shè)備間的通信，而設(shè)備不能主動向主機發(fā)送任何消息。

1.2 設(shè)備、配置、接口、端點

　　在USB 設(shè)備的邏輯組織中，包含設(shè)備、配置、接口和端點4 個層次，每個USB 設(shè)備都提供了不同級別的配置信息，可以包含一個或多個配置，不同的配置使設(shè)備表現(xiàn)出不同的功能組合，配置由多個接口組成，接口由多個端點組成，代表一個基本的功能，是USB 設(shè)備驅(qū)動程序控制的對象，如下圖是USB 設(shè)備、配置、接口和端點之間的關(guān)系。

　　設(shè)備描述符：關(guān)于設(shè)備的通用信息，如供應(yīng)商ID 、產(chǎn)品ID 和修訂ID，支持的設(shè)備類、子類和適用的協(xié)議以及默認(rèn)端點的最大包大小等。在Linux 內(nèi)核中，USB 設(shè)備用 usb_device 結(jié)構(gòu)體來描述，USB 設(shè)備描述符定義為usb_device_descriptor 結(jié)構(gòu)體，其代碼如下：

struct usb device descriptor{_ _u8 bLength; // 述符長度_ _u8 bDescriptorType; // 述符類型編號_ _le16 bcdUSB; //USB版本號_ _u8 bDeviceClass; //USB分配的設(shè)備類code_ _u8 bDeviceSubClass;// USB 分配的子類code_ _u8 bDeviceProtocol; //USB 分配的協(xié)議code_ _u8 bMaxPacketSize0; //endpoint0 最大包大小_ _le16 idVendor; //廠商編號_ _le16 idProduct; //產(chǎn)品編號_ _le16 bcdDevice; //設(shè)備出廠編號_ _u8 iManufacturer; // 述廠商字符串的索引_ _u8 iProduct; // 述產(chǎn)品字符串的索引_ _u8 iSerialNumber; // 述設(shè)備序列號字符串的索引_ _u8 bNumConfigurations; //可能的配置數(shù)量} _ _attribute_ _ ((packed));

　　配置描述符：此配置中的接口數(shù)、支持的掛起和恢復(fù)能力以及功率要求。USB配置在內(nèi)核中使用usb_host_config 結(jié)構(gòu)體描述，USB 配置描述符定義為結(jié)構(gòu)體usb_config_descriptor，其代碼如下：

struct usb config descriptor{_ _u8 bLength; // 述符長度_ _u8 bDescriptorType; // 述符類型編號_ _le16 wTotalLength; //配置所返回的所有數(shù)據(jù)的大小_ _u8 bNumInterfaces; // 配置所支持的接口數(shù)_ _u8 bConfigurationValue; //Set Configuration命令需要的參數(shù)值_ _u8 iConfiguration; // 述該配置的字符串的索引值_ _ u8 bmAttributes; //供電模式的選擇_ _u8 bMaxPower; //設(shè)備從總線提取的最大電流} _ _attribute_ _ ((packed));

　　接口描述符：接口類、子類和適用的協(xié)議，接口備用配置的數(shù)目和端點數(shù)目。USB接口在內(nèi)核中使用 usb_interface 結(jié)構(gòu)體描述，USB 接口描述符定義為結(jié)構(gòu)體 usb_interface_descriptor，其代碼如下：

struct usb interface descriptor{_ _u8 bLength; // 述符長度_ _u8 bDescriptorType; // 述符類型_ _ u8 bInterfaceNumber; // 接口的編號_ _u8 bAlternateSetting; //備用的接口 述符編號_ _u8 bNumEndpoints; //該接口使用的端點數(shù)，不包括端點0_ _ u8 bInterfaceClass; //接口類型_ _ u8 bInterfaceSubClass; //接口子類型_ _ u8 bInterfaceProtocol; //接口所遵循的協(xié)議_ _ u8 iInterface; // 述該接口的字符串索引值} _ _attribute_ _ ((packed));

　　端點描述符：端點地址、方向和類型，支持的最大包大小，如果是中斷類型的端點則還包括輪詢頻率。在 Linux 內(nèi)核中，U SB 端點使用 usb_host_endpoint 結(jié)構(gòu)體來描述，USB端點描述符定義為 usb_ endpoint_ descriptor 結(jié)構(gòu)體，其代碼如下：

struct usb endpoint descriptor{_ _u8 bLength; // 述符長度_ _u8 bDescriptorType; // 述符類型_ _u8 bEndpointAddress; //端點地址：0 ～3 位是端點號，第 7 位是方向 (0-OUT,1-IN)_ _ u8 bmAttributes; //端點屬性：bit[0:1] 的值為00表示控制，為01表示同步，為02表示批量，為03表示中_ _le16 wMaxPacketSize; 本端點接收或發(fā)送的最大信息包的大小_ _u8 bInterval; //輪詢數(shù)據(jù)傳送端點的時間間隔//對于批量傳送的端點以及控制傳送的端點，此域忽略//對于同步傳送的端點，此域必須為1//對于中 傳送的端點，此域值的范圍為1～255_ _u8 bRefresh;_ _u8 bSynchAddress;} _ _attribute_ _ ((packed));

　　字符串描述符：在其他描述符中會為某些字段提供字符串索引，它們被用來檢索描述性字符串，可以以多種語言形式提供。字符串描述符是可選的，有的設(shè)備有，有的設(shè)備沒有 ，字符 串描述符對應(yīng)于usb_string_ descriptor 結(jié)構(gòu)體，其代碼如下：

struct usb string descriptor{_ _u8 bLength; // 述符長度_ _u8 bDescriptorType; // 述符類型_ _le16 wData [1]; /* 以UTF-16LE編碼 */} _ _attribute_ _ ((packed));

2 USB主機驅(qū)動

USB 主機控制器有 3 種規(guī)格：OHCI (Open Host Controller Interface) 、UHCI (Universal Host Controller Interface) 和EHCI (Enhanced Host Controller Interface) 。

2.1 主機控制器驅(qū)動

　　在Linux 內(nèi)核中，用usb_hcd 結(jié)構(gòu)體描述USB 主機控制器驅(qū)動，它包含USB 主機控制器的 “家務(wù)”信息、硬件資源、狀態(tài)描述和用于操作主機控制器的 hc_driver等，其代碼如下：

struct usb hcd{/* 管理 “家務(wù)” */struct usb bus self;const char *product desc; /* 產(chǎn)品/廠商字符串 */char irq descr [24]; /* 驅(qū)動 + 總線 # */struct timer list rh timer; /* 根Hub 輪詢 */struct urb *status urb; /* 目前的狀態(tài)urb *//* 硬件信息/狀態(tài) */const struct hc driver *driver; /* 硬件特定的鉤子函數(shù) *//* 需要維護的標(biāo)志 */unsigned long flags;#define HCD FLAG HW ACCESSIBLE 0x00000001#define HCD FLAG SAW IRQ 0x00000002unsigned rh_registered: 1; /* 根Hub 注冊？ *//* 下一個標(biāo)志的采用只是 “權(quán)益之計”，當(dāng)所有HCDs 支持新的根Hub 輪詢機制后將移除 */unsigned uses new polling: 1;unsigned poll rh: 1; /* 輪詢根Hub 狀態(tài)? */unsigned poll pending: 1; /* 狀態(tài)已經(jīng)改變? */int irq; /* 被分配的irq */ <br>void _ _iomem *regs; /* 設(shè)備內(nèi)存和I/O */u64 rsrc start; /* 內(nèi)存和I/O資源開始位置 */u64 rsrc len; /* 內(nèi)存和I/O資源長度 */unsigned power budget; /* mA, 0 = 無限制 */#define HCD BUFFER POOLS 4struct dma pool *pool[HCD BUFFER POOLS];int state;#define ACTIVE 0x01#define SUSPEND 0x04#define TRANSIENT 0x80#define HC STATE HALT 0#define HC STATE RUNNING ( ACTIVE)#define HC STATE QUIESCING ( SUSPEND| TRANSIENT| ACTIVE)#define HC STATE RESUMING ( SUSPEND| TRANSIENT)#define HC STATE SUSPENDED ( SUSPEND)#define HC IS RUNNING (state) ((state) & ACTIVE)#define HC IS SUSPENDED(state) ((state) & SUSPEND)/* 主機控制器驅(qū)動的私有數(shù)據(jù) */ <br>unsigned long hcd priv [0] attribute ((aligned (sizeof(unsigned long))));};

　　Linux中采用以下函數(shù)創(chuàng)建HCD：

struct usb hcd *usb create hcd (const struct hc driver *driver, struct device *dev, char *bus name);

　 以下函數(shù)用來增加和移除：

int usb add hcd (struct usb hcd *hcd, unsigned int irqnum, unsigned long irqflags); void usb remove hcd (struct usb hcd *

2.2 OHCI 主機控制器驅(qū)動

　　OHCI HCD 驅(qū)動屬于HCD 驅(qū)動的實例，它定義了一個ohci_hcd 結(jié)構(gòu)體，使用如下內(nèi)聯(lián)函數(shù)可實現(xiàn)usb_hcd 和ohci_hcd 的相互轉(zhuǎn)換：

struct ohci hcd *hcd to ohci (struct usb hcd *hcd); struct usb hcd *ohci to hcd (const struct ohci hcd *ohci);

　　從usb_hcd 得到ohci_hcd 只是取得“私有”數(shù)據(jù)，而從ohci_hcd 得到usb_hcd 則是通過container_of()從結(jié)構(gòu)體成員獲得結(jié)構(gòu)體指，使用如下函數(shù)可初始化OHCI 主機控制器：

int ohci init (struct ohci hcd *ohci);

如下函數(shù)分別用于開啟、停止及復(fù)位OHCI 控制器：

int ohci run (struct ohci hcd *ohci); void ohci stop (struct usb hcd *hcd); void ohci usb reset (struct ohci hcd *ohci);

3 USB設(shè)備驅(qū)動

3.1 USB設(shè)備驅(qū)動整體結(jié)構(gòu)

有以下設(shè)備類

• 音頻設(shè)備類。
• 通信設(shè)備類。
• HID （人機接口）設(shè)備類。
• 顯示設(shè)備類。
• 海量存儲設(shè)備類。
• 電源設(shè)備類。
• 打印設(shè)備類。
• 集線器設(shè)備類。

　　Linux 內(nèi)核為各類USB 設(shè)備分配了相應(yīng)的設(shè)備號，內(nèi)核中提供了USB 設(shè)備文件系統(tǒng) （usbdevfs，Linux 2.6 改為usbfs，即USB 文件系統(tǒng)），它和/proc 類似，都是動態(tài)產(chǎn)生的。通過在/etc/fstab 文件中添加如下一行：

none /proc/bus/usb usbfs defaults

或者輸入命令：

mount -t usbfs none /proc/bus/usb

可以實現(xiàn)USB 設(shè)備文件系統(tǒng)的掛載。

　　此外，在sysfs 文件系統(tǒng)中，同樣包含了USB 相關(guān)信息的描述，但只限于接口級別。USB 設(shè)備和USB 接口在sysfs 中均表示為單獨的USB 設(shè)備，其目錄命名規(guī)則如下：

根集線器-集線器端口號 （-集線器端口號-...）:配置.接口。

3.2 USB請求塊(URB)

　　USB 請求塊 （USB request block，urb ）是USB 設(shè)備驅(qū)動中用來描述與USB 設(shè)備通信所用的基本載體和核心數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，非常類似于網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動中的sk_buff 結(jié)構(gòu)體，是USB 主機與設(shè)備通信的 “電波”，urb 結(jié)構(gòu)體，代碼如下：

struct urb{/* 私有的：只能由USB核心和主機控制器訪問的字段 */struct kref kref; /*urb 引用計數(shù) */spinlock t lock; /* urb鎖 */void *hcpriv; /* 主機控制器私有數(shù)據(jù) */int bandwidth; /* INT/ISO請求的帶寬 */atomic t use count; /* 并發(fā)傳輸計數(shù) */u8 reject; /* 傳輸將失敗*//* 公共的： 可以被驅(qū)動使用的字段 */struct list head urb list; /* 鏈表頭*/struct usb device *dev; /* 關(guān)聯(lián)的USB 設(shè)備 */unsigned int pipe; /* 管道信息 */int status; /* URB 的當(dāng)前狀態(tài) */ unsigned int transfer flags; /* URB SHORT NOT OK | ...*/void *transfer buffer; /* 發(fā)送數(shù)據(jù)到設(shè)備或從設(shè)備接收數(shù)據(jù)的緩沖區(qū) */dma addr t transfer dma; /*用來以DMA 方式向設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)的緩沖區(qū) */int transfer buffer length;/*transfer buffer 或 transfer dma 指向緩沖區(qū)的大小 */ int actual length; /* URB 結(jié)束后，發(fā)送或接收數(shù)據(jù)的實際長度 */unsigned char *setup packet; /* 指向控制URB 的設(shè)置數(shù)據(jù)包的指針*/dma addr t setup dma; /*控制URB 的設(shè)置數(shù)據(jù)包的DMA 緩沖區(qū)*/int start frame; /*等時傳輸中用于設(shè)置或返回初始幀*/int number of packets; /*等時傳輸中等時緩沖區(qū)數(shù)據(jù) */int interval; /* URB被輪詢到的時間間隔 （對中 和等時urb 有效） */int error count; /* 等時傳輸錯誤數(shù)量 */void *context; /* completion 函數(shù)上下文 */usb complete t complete; /* 當(dāng)URB 被完全傳輸或發(fā)生錯誤時，被調(diào)用 */struct usb iso packet descriptor iso frame desc[0];/*單個URB 一次可定義多個等時傳輸時，描述各個等時傳輸 */};

　　USB 設(shè)備中的每個端點都處理一個urb 隊列，在隊列被清空之前，一個urb 的典型生命周期有以下幾個過程：

被一個 USB設(shè)備驅(qū)動創(chuàng)建

初始化，被安排給一個特定USB 設(shè)備的特定端點

被USB 設(shè)備驅(qū)動提交給USB

提交由USB 核心指定的USB 主機控制器驅(qū)動。

被USB 主機控制器處理，進行一次到USB 設(shè)備的傳送。

當(dāng)urb 完成，USB 主機控制器驅(qū)動通知USB 設(shè)備驅(qū)動

3.3 簡單的批量與控制URB

1）usb_bulk_msg()

usb_bulk_msg()函數(shù)創(chuàng)建一個USB 批量urb 并將它發(fā)送到特定設(shè)備，這個函數(shù)是同步的，它一直等待urb 完成后才返回。usb_bulk_msg()函數(shù)的原型為：

int usb bulk msg (struct usb device *usb dev, unsigned int pipe, void *data, int len, int *actual length, int timeout); //usb_dev 參數(shù)為批量消息要發(fā)送的USB //設(shè)備的指 ，pipe 為批量消息要發(fā)送到的 USB 設(shè)備的端點，data 參數(shù)為指向要發(fā)送或接收的數(shù)據(jù) //緩沖區(qū)的指 ，len 參數(shù)為data 參數(shù)//所指向的緩沖區(qū)的長度，actual_length 用于返回實際發(fā)送 //或接收的字節(jié)數(shù)，timeout 是發(fā)送超時，以ji ffies 為單位，0 意味著永遠等待。 // 如果函數(shù)調(diào)用成功，返回0 ；否則，返回1 個負的錯誤值。

2 ）usb_control_msg()函數(shù)

usb_control_msg() 函數(shù)與 usb_bulk_msg() 函數(shù)類似，不過它提供驅(qū)動發(fā)送和結(jié)束USB 控制信息而非批量信息的能力，該函數(shù)的原型為：

int usb control msg (struct usb device *dev, unsigned int pipe, u8 request, _ _u8 requesttype, _ _u16 value, _ _u16 index, void *data, _ _u16 size, int timeout); //dev 指向控制消息發(fā)往的USB 設(shè)備，pipe 是控制消息要發(fā)往的USB 設(shè)備的端點， request 是這個控制消息的USB 請求值，requesttype 是這個控制消息的USB 請求類型， //value 是這個控制消息的USB 消息值，index 是這個控制消息的USB 消息索引值，data 指向要發(fā)送或接收的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，size

3) 探測和斷開函數(shù)

在USB 設(shè)備驅(qū)動usb_driver 結(jié)構(gòu)體的探測函數(shù)中，應(yīng)該完成如下工作：

• 探測設(shè)備的端點地址、緩沖區(qū)大小，初始化任何可能用于控制 USB 設(shè)備的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。
• 把已初始化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的指 保存到接口設(shè)備中
• 注冊USB 設(shè)備

　　對探測函數(shù)的調(diào)用發(fā)生在USB 設(shè)備被安裝且USB 核心認(rèn)為該驅(qū)動程序與安裝的USB 設(shè)備對應(yīng)時 （usb_driver 的id_table 成員在此時發(fā)揮作用），而對斷開函數(shù)的調(diào)用則發(fā)生在驅(qū)動因為種種原因不再控制該設(shè)備的時候。對這兩個函數(shù)的調(diào)用都是在內(nèi)核線程中進行的.

4) USB 骨架程序

　　Linux 內(nèi)核源代碼中的 driver/usb/usb-skeleton.c 文件為我們提供了一個最基礎(chǔ)的USB 驅(qū)動程序，即USB 骨架程序，可被看做一個最簡單的USB 設(shè)備驅(qū)動實例。盡管USB驅(qū)動驅(qū)動程序千差萬別，但是骨架程序萬變不離其宗。這里我也不多介紹啦~

總結(jié)

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