（一）USB驱动程序_USB基础知识

秒速五厘米 2022-05-08 09:03 1043阅读 0赞

深入，并且广泛
    				-沉默犀牛

### USB设备驱动分类 ###

USB驱动程序可以粗分为两类：  
一、主机（Host）系统上的驱动程序 ，这个驱动程序控制插入其中的USB设备  
二、设备（Device）上的驱动程序，这个驱动程序控制USB设备如何与主机通信

为了举一个形象的例子，我得先展示一张图片，更细致的介绍一下以上的两种分类：

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>Host</th> 
   <th>Device</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>USB设备驱动（Mass storage/CDC/HID）</td> 
   <td>Gadget Function 驱动（serial…）</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>USB核心</td> 
   <td>Gadet Funtion API</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>USB Host Controller 驱动（OHCI/EHCI/UHCI）</td> 
   <td>UDC驱动（omap/pxa2xx…）</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>USB Host Controller</td> 
   <td>UDC</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

在这个图中，主机侧与设备侧又分别分为了两个驱动：  
Host：*USB设备驱动*、USB Host Controller 驱动  
Device：*Gadget Function 驱动*、UDC驱动

> USB设备驱动和USB Host Controller驱动之间的**USB core**负责了USB驱动管理和协议处理的主要工作。  
> 1.它通过定义一些数据结构体、宏和功能函数，向上为设备驱动提供编程接口，向下为USB Host Controller驱 动提供编程接口；  
> 2.维护整个系统的USB设备信息;  
> 3.完成设备热拔插控制、总线数据传输控制等
> 
> Gadet Function API现在是UDC驱动程序回调函数的包装

举一个生活中的例子：**当用Android系统的手机 通过USB线 连接Linux系统的PC**

###### Host（PC）的动作： ######

1.如果你插入了USB2.0的设备，则Host的USB Host Controller 驱动要使能EHCI，如果是USB1.1的设备，就要使能OHCI  
/UHCI，不过一般做法是全都使能。**在这里我们手机插入后，Host Controller 驱动会启用EHCI**。

2.这个USB设备驱动，会根据插入的设备不同，而选择不同的驱动。默认已经有的驱动有存储设备、键盘、鼠标、游戏  
杆、网络设备和调制解调器。如果是其他的设备，则需要自己写驱动了。**在我们的例子里，手机通过USB连接到PC上  
后，可以选择几个不同的模式，当选择仅限充电时，Host的USB设备驱动就走充电的驱动，当选择传输文件（MTP）  
时，Host的USB设备驱动就走传输文件的驱动，当选择当做摄像头时（现在大部分手机不会设置这个功能了），Host  
的USB设备驱动就走摄像头的驱动。**

###### Device（手机）的动作： ######

1.**当我的手机通过USB连接电脑以后，手机的底层USB控制器行使UDC功能，这时运行在底层的是UDC驱动.**

2.**然后我再选择手机的模式，当选择仅充电时，Device的Gadget Function驱动就走充电的驱动，当选择文件传输时，  
Device的Gadget Function驱动就走文件传输的驱动（Mass storage）**

现在我们已经理清了这四种驱动都是在哪用的（Host/Device）、都是何时用的、都是干什么的。

### USB设备基础 ###

USB设备是非常复杂的，它由许多不同的逻辑单元组成，这些逻辑单元之间的关系可以简单地描述如下：

1.  **设备**通常具有一个或者多个**配置**
2.  **配置**经常具有一个或者多个**接口**
3.  **接口**通常具有一个或者多个设置
4.  接口**没有或者具有一个以上**的**端点**

接下来就以上提到的概念详细分析：

#### 端点： ####

USB通信的最基本形式是通过一个名为端点（endpoint）的东西，USB端点只能往一个方向传送数据，从Host到Device称为OUT端点，从Device到Host称为IN端点，端点可以看做是单项的管道它有四种不同的类型，分别具有不同的传送数据的方式：

##### 控制： #####

控制端点用来控制对USB设备的不同部分的访问。它们通常用于配置设备、获取设备信息、发送命令到设备，或者获取设备的状态报告。这些端点一般体积较小，每个USB设备都有一个名为“端点0”的控制端点，USB核心使用该端点在插入时进行设备的配置。USB协议保证这些传输始终有足够的传输带宽以传送数据到设备，这里关于端点0的功能举一个例子：在手机插入PC的例子中，我选择charge模式后，就是通过端点0来告诉PC的，切换成MTP模式后，也是通过端点0来告诉PC的，PC知道后就会进行相应的配置，这个配置就是调用上述相应的driver

##### 中断 #####

每当USB Host要求设备传输数据时，中断端点就以一个固定的速率来传送少量的数据。这些端点是USB键盘和鼠标所使用的主要传输方式。它们通常还用于发送数据到USB设备以控制设备，不过一般不用来传输大量的数据。USB协议保证这些传输始终有足够的保留带宽以传送数据

##### 批量 #####

批量（bulk）端点传送大批量的数据。这些端点通常比中断端点大得多（它们可以一次持有更多的字符）。它们常见于需要确保没有数据丢失的传输的设备。USB协议不保证这些传输始终可以在特定的时间内完成。如果总线上的空间不足以发送整个批量包，它将被分割为多个包进行传输。这些端点通常出现在打印机、存储设备和网络设备上

##### 等时 #####

等时（isochronous）端点同样可以传送大批量的数据，但数据是否达到是没有保证的。这些端点用于可以应付数据丢失情况的设备，这类设备更注重于保持一个恒定的数据流。实时的数据手记（例如音频和视频设备）几乎毫无例外都使用这类端点。

我们知道“端点”是逻辑上的意义，在代码中是如何实现的呢？或者说，用什么东西来代表端点呢？我之后还会再多啰嗦一下其他的类似“逻辑上的意义”这种问题。现在先来看描述端点的东西吧！其实就是结构体啦，我会结合《LDD3》和《Linux设备驱动开发详解》中的描述进行注释

/* USB_DT_ENDPOINT: Endpoint descriptor */
    struct usb_endpoint_descriptor {
    	__u8  bLength;			//描述符长度
    	__u8  bDescriptorType;		//描述符类型
    	
    	__u8  bEndpointAddress;  	//端点地址：0-3位是端点号，第7位是方向（0为out，1为in）
    	__u8  bmAttributes;		//端点属性（类型）：bit[0:1] 00表示控制 01表示等时 10表示批量 11表示中断
    	__le16 wMaxPacketSize;		//该端点一次可以处理的最大字节数。
    					  注意：driver可以发送数量大于此值的数据到端点，
    					  但是在实际传输到设备的时候，数据将被分割为wMaxPacketSize大小的块。
    	__u8  bInterval;		//轮询数据传送端点的时间间隔
    					  对于批量和控制的端点，忽略此域
    					  对于等时的端点，必须为1
    					  对于中断的端点，必须为1-255
    
    	/* NOTE:  these two are _only_ in audio endpoints. */
    	/* use USB_DT_ENDPOINT*_SIZE in bLength, not sizeof. */
    	__u8  bRefresh;
    	__u8  bSynchAddress;
    } __attribute__ ((packed));

#### 接口： ####

USB端点被捆绑为接口。USB接口只处理一种USB逻辑连接，例如鼠标、键盘或者音频流。一些USB设备具有多个接口，例如USB扬声器可以包括两个接口：一个USB键盘用于按键和一个USB音频流。因为一个USB接口代表了一个基本功能，而每个USB驱动程序控制一个接口，因此，以扬声器为例，Linux需要两个不同的驱动程序来处理一个硬件

接下来看看接口的结构体：

/* USB_DT_INTERFACE: Interface descriptor */
    struct usb_interface_descriptor {
    	__u8  bLength;				//描述符长度
    	__u8  bDescriptorType;			//描述符类型
    
    	__u8  bInterfaceNumber;			//接口的编号
    	__u8  bAlternateSetting;		//备用的接口描述符编号
    	__u8  bNumEndpoints;			//接口使用的端点数，不包括端点0
    	__u8  bInterfaceClass;			//接口类型
    	__u8  bInterfaceSubClass;		//接口子类型
    	__u8  bInterfaceProtocol;		//接口所遵循的协议
    	__u8  iInterface;			//描述该接口的字符串索引值
    } __attribute__ ((packed));

### 配置 ###

USB接口本身被捆绑为配置。一个USB设备可以有多个配置，而且可以在配置之间切换以改变设备的状态。比如手机可以选择charge only 、MTP、PTP、Camera这几个配置。用usb\_config\_descriptor结构体来描述配置。USB设备驱动程序通常不需要改变这个结构体中的任何值，因此在这里不详述了。

这里顺便提一嘴怎么看你设备中的usb设备的这些结构体信息：  
1.lsusb 查看每一个设备的 bus号 和 device号  
![在这里插入图片描述][70]  
2.lsusb -s -v \[Bus:Device\] 就可以显示出你填入的Bus和Device指定的设备的信息  
![在这里插入图片描述][70 1]

以上是先要准备的有关USB的基础知识，下两篇文章我们分析一下驱动的源码，这四个驱动中有两个是我们不会去改动的：Host Controller driver 和 UDC 因为这都是默认的，只需要config一下就可以了。所以我们的目标放在了另外的两个驱动上： ***USB设备驱动 和 Function 驱动***

> 这里多说一下上文提到的“逻辑上的意义”，在我学习Linux驱动这三个月以来，我感觉到Device、Driver这样的东西对于Kernel来说，都是逻辑上的，只要我把Device的信息写到DTS中，那Linux的Kernel启动时，就会展开DTS，并且把这些node最终解析为device结构体，然后注册（这时是注册platform\_device，其他总线上的Device是（在对应总线注册时）注册的 ），你看，kernel并不知道这些我们硬件上到底有没有连接这些Device，我想表达的就是，在Kernel看来，这些最终解析成的device结构体，就是有意义的。但是这些node在我们看来，只有逻辑上的意义。有了它们，Kernel才能认识Device。同理的去理解本文中的结构体，和Kernel中的其他结构体，它们都是只有逻辑上的意义

> 那么既然Kernel并不知道Device到底存不存在，那也不能让Kernel去控制一个不存在的Device吧，这个问题怎么解决的呢？这就是Driver的用处之一了。Driver也都是体现成了结构体。比如usb\_driver、i2c\_driver等等，所以Driver也是在我们的眼中看来，它们也是逻辑上的并不像是我们用来控制游戏人物的键盘、鼠标那么具体。Driver写好后，Kernel就认为这是一个Device的“控制器”了，但是它不会对应现实世界的任何实物。那么Driver是怎么解决“到底有没有真实的Device连接在硬件上？”这个问题的呢？Driver通过向真实器件读取信息来判断到底有没有真实的Device，如果没有真实的Device，那Driver就读不出来正确的数据，那我Kernel就认为没有这个真实器件，也正是这个原因，我们调试某器件的时候发现driver没有加载上，就是因为Device的配置有问题，导致Kernel误认为没有这个真实器件

> 为了更好的解释这个问题，我用我所接触过的两个例子，来再次阐述：  
> 1.TouchPanel： 大部分TouchPanel是挂载在i2c上的，所以TP的Driver->probe函数中，会通过i2c总线向TP硬件的IC读取一些信息，这就起到了验证硬件在不在的作用，如果读出的数据不对，直接return  
> 2.LCD：LCD会面对一个问题，就是一套代码，要适应多个屏幕，（因为咱们手机或者其他嵌入式设备的配置不同，高配的用好一点的,低配的用差一点的）那一套代码怎么适应不同的屏幕呢？就是从LCD的硬件IC读取一些信息，比如硬件的编号，GPIO的高低等等，然后用这个编号来找对应的配置，读取编号的时候，不就可以验证硬件在不在了吗。

这篇博文参考了《Linux设备驱动开发详解》《Linux Device Driver 3》和《Linux那些事儿-我是USB》

[70]: /images/20220508/d37ed11f75024429b12f9cee7d6bdbad.png
[70 1]: /images/20220508/92873e8d74cb42a0a4d634c0de58cf95.png