一文搞懂 USB 设备端驱动框架

曾经终败给现在 2022-10-05 00:48 453阅读 0赞

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转自 | 漫谈嵌入式

> hello 大家好，今天带领大家学习一下USB 设备端驱动 
> 
> 内核版本：4.4.94

## 1. Linux USB 子系统 ##

在介绍设备端驱动前，我们先来看看 Linux USB子系统。这里的子系统是相对于整个Linux kernel 来说的，而非单一设备。从整体概括了USB主机端和设备端的通信框架。

Linux kernel 中早已集成了较为完善的USB协议栈，由于其规模庞大，包含多个类别的设备驱动，所以Linux系统中的USB协议栈也被称为USB子系统。

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#### 1.1 主机端 ####

主机端，简化抽象三层：

*  各种类设备驱动：mass sotrage, CDC, HID等
 *  USB 设备驱动：USB 核心处理
 *  主机控制器驱动：不同的USB主机控制器（OHCI/EHCI/UHCI），抽象为HDC。

#### 1.2 设备端 ####

设备端，也抽象为三层：

*  设备功能驱动：mass sotage , CDC, HID 等，对应主机端的类设备驱动
 *  Gadget 设备驱动：中间层，向下直接和UDC通信，建立链接；向上提供通用接口，屏蔽USB请求以及传输细节。
 *  设备控制器驱动：UDC驱动，直接处理USB设备控制器。

## 2. USB 设备驱动 ##

### 2.1 gadget 驱动框架拆解1 ###

我们将USB 设备端驱动拆解一下，其驱动框架如下：

![63e1b01fabb05136e29d28f9ad8ce81f.png][]

上文提到，Gadget 设备层起着至关重要的作用。为上层提供通用的驱动框架，与下层UDC通过Gadget Interface 建立联系。

其中Compsite Framwork 提供了一个通用的usb\_gadget\_driver 模板，包括各种方法供上层Function driver 使用。（driver/usb/gadget/compsite.c）

从上图我们可以看出，对于USB设备端驱动开发而言，更多的关注的是Function driver这层。USB 控制相关过程，内核提供了一个中间层帮我们屏蔽掉了。

### 2.2 gadget 驱动框架拆解2 ###

> 内核版本：Linux Kernel 4.4.94，我们以这个版本进行拆解分析

4.x 的内核相对于3.x的内核在gadget 驱动上分解的更加完善，显得目录结构，层次分明，分工合理，更便于理解。

相对于3.x 的版本，4.4.94这个内核，将原来的、driver/usb/gadget目录进行拆分。通用接口保持不变，比如compsite.c以及functions.c。将usb function driver 进行细分，分为legacy和functions。

有了这些背景，我们再看4.4.94这版内核，gadget驱动框架，如图所示（下图笔者按自己的理解绘制的）：

![bb36ccc6235c749ec9d285111a96b1bc.png][]

*  legacy：整个Gadget 设备驱动的入口。位于driver/usb/gadget/legacy下，里面给出了常用的usb类设备的驱动sample。其作用就是配置USB设备描述符信息，提供一个usb\_composite\_driver, 然后注册到composite层。
 *  functions：各种usb 子类设备功能驱动。位于driver/usb/gadget/functions,里面也给出了对应的sample。其作用是配置USB子类协议的接口描述以及其他子类协议，比如uvc协议，hid等。
 *  注意：对于一个compsite 设备一个有一个或者多个function，对应的也就有多个functions driver

从这张图上，有没有发现，设备端驱动开发似乎越来越**简单**了。没错，事实上，我们只需要根据legacy的源码，添加对应的usb设备描述符信息，以及其他若干配置即可。

换言之，我们只需要关心 legacy 这一丢丢就行，对于functions这层会根据业务需要略微调整，不过整体变动不大。

usb 驱动框架之所以复杂，除了需要研究各种复杂的协议，还融合了各种驱动，对于初学者来说，理解起来有点困难。事实上，光是legacy这里也包含其他驱动，比如webcam里有大名鼎鼎的 v4l2 驱动框架。

所以当我学习USB驱动框架的时候，一定要抓大放小，【把握主要脉络，忽略细节】。当我们把一个复杂的驱动逐一拆解的话，其实发现，就没有那么可怕了。

### 2.3 usb compsite 设备构建 ###

为了便于理解，我们来简单了解一个usb compsite 设备的构建过程：

假设构建一个usb 复合设备，需要支持uac, uac, hid 三个功能 其驱动框架如下：

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*  首先，我们需要一个驱动入口 legacy,用来配置设备描述信息，支持的协议等
 *  然后添加一个配置支持多种接口，这里支持uvc uac hid, 每个接口对应一个functions driver
 *  最后我们把它注册到compsite 层
 *  对于functions driver 有个usb function driver list，在内核注册function driver 时会自动添加到一个链表上。functions.c 就是用来管理所有的function drivers

## 3. USB gadget 驱动剖析 ##

### 3.1 相关数据结构 ###

在梳理整个框架前我们先梳理一下几个重要的数据结构，从下到上依次介绍：

**usb\_udc:**

udc 使用，内嵌usb\_gadget\_driver 和 usb\_gadget

struct usb_udc {
     struct usb_gadget_driver *driver;
     struct usb_gadget  *gadget;
     struct device   dev;
     struct list_head  list;
     bool    vbus;
    };

**usb gadget：**

usb 底层操作，包括udc，端点请求等。

struct usb_gadget {
     struct work_struct  work;         /* 工作队列 */
     struct usb_udc   *udc;          /* udc */
     /* readonly to gadget driver */
     const struct usb_gadget_ops *ops; /*gadget 设备操作函数集*/
     struct usb_ep   *ep0;           /* 控制端点，只对setup包响应*/
     struct list_head  ep_list;      /* 将设备的所有端点连成链表，ep0不在其中 */
     enum usb_device_speed  speed; /* 高速、全速和低速 */
     enum usb_device_speed  max_speed; /* 最大速度 */
     enum usb_device_state  state;
     const char   *name;
     struct device   dev;
     unsigned   out_epnum;       /* out ep number */
     unsigned   in_epnum;         /* in ep number */
     struct usb_otg_caps  *otg_caps;
    
     unsigned   sg_supported:1;
     unsigned   is_otg:1;
     unsigned   is_a_peripheral:1;
     unsigned   b_hnp_enable:1;
     unsigned   a_hnp_support:1;
     unsigned   a_alt_hnp_support:1;
     unsigned   quirk_ep_out_aligned_size:1;
     unsigned   quirk_altset_not_supp:1;
     unsigned   quirk_stall_not_supp:1;
     unsigned   quirk_zlp_not_supp:1;
     unsigned   is_selfpowered:1;
     unsigned   deactivated:1;
     unsigned   connected:1;
    };

**usb\_gadget\_driver：**

usb\_gadget\_driver - driver for usb 'slave' devices. usb 从设备驱动通用结构。

*  作用：提供一个通用的usb gadget driver 模板，向下注册到udc,向上给functions driver提供bind 回调等。
 *  关注：bind 回调、function 驱动名、setup 处理请求

struct usb_gadget_driver {
     char   *function;    /* String describing the gadget's function */
     enum usb_device_speed max_speed; /* Highest speed the driver handles */
     int   (*bind)(struct usb_gadget *gadget, /* the driver's bind callback */
         struct usb_gadget_driver *driver);
     void   (*unbind)(struct usb_gadget *);
     int   (*setup)(struct usb_gadget *, /* 处理ep0 request */
         const struct usb_ctrlrequest *);
     void   (*disconnect)(struct usb_gadget *); 
     void   (*suspend)(struct usb_gadget *);
     void   (*resume)(struct usb_gadget *);
     void   (*reset)(struct usb_gadget *);
    
     /* FIXME support safe rmmod */
     struct device_driver driver;
    };

**usb\_composite\_driver:**

usb\_composite\_driver ,设备驱动的入口，用来管理设备配置信息，保存设备描述符。

重点：关注 bind 方法。

struct usb_composite_driver {
     const char    *name; /* 驱动名字 */
     const struct usb_device_descriptor *dev ; /* 设备描述符 */
     struct usb_gadget_strings  **strings;
     enum usb_device_speed   max_speed;
     unsigned  needs_serial:1;
    
     int   (*bind)(struct usb_composite_dev *cdev); /* bind 方法 */
     int   (*unbind)(struct usb_composite_dev *);
    
     void   (*disconnect)(struct usb_composite_dev *);
    
     /* global suspend hooks */
     void   (*suspend)(struct usb_composite_dev *);
     void   (*resume)(struct usb_composite_dev *);
     struct usb_gadget_driver  gadget_driver;     /* usb gadget driver */
    };

**usb\_composite\_dev:**

内嵌gadget对象，以及usb 设备的一些配置和请求，主要用于初始化。

struct usb_composite_dev {
     struct usb_gadget  *gadget;
     struct usb_request  *req;
     struct usb_request  *os_desc_req;
    
     struct usb_configuration *config; /* usb 配置信息 */
    
     /* OS String is a custom (yet popular) extension to the USB standard. */
     u8    qw_sign[OS_STRING_QW_SIGN_LEN];
     u8    b_vendor_code;
     struct usb_configuration *os_desc_config;
     unsigned int   use_os_string:1;
    
     /* private: */
     /* internals */
     unsigned int   suspended:1;
     struct usb_device_descriptor desc; /* 设备描述符 */
     struct list_head  configs;
     struct list_head  gstrings;
     struct usb_composite_driver *driver; /* composite driver */
     u8    next_string_id;
     char    *def_manufacturer;
    
     /* the gadget driver won't enable the data pullup
      * while the deactivation count is nonzero.
      */
     unsigned   deactivations;
    
     /* the composite driver won't complete the control transfer's
      * data/status stages till delayed_status is zero.
      */
     int    delayed_status;
    
     /* protects deactivations and delayed_status counts*/
     spinlock_t   lock;
    
     unsigned   setup_pending:1;
     unsigned   os_desc_pending:1;
    };

### 3.2 驱动剖析 ###

如图为一个通用的usb gadget 驱动剖析，框图中只列出了两个function，如果有多个function可以继续添加。关于udc控制器部分，，没有继续画下去，注意我们始终保持一个原则，【抓大放小】，把握重要的脉络即可。

有关 usb 设备端驱动，比较复杂图片包含内容比较多，如果觉得不清楚，后台回复【gadget 驱动】获取高清图

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**分层分块**

上下分层，左右分离的思想。

*  设备功能驱动
 *   *  legacy 驱动入口
     *  functions 驱动实现
 *  Gadget 设备层：最重要的是compsite\_bind 方法，承上启下的作用。
 *  udc 设备控制器层。usb 协议的真正处理。

**驱动走向**

*  向下：usb\_composite\_driver -> usb\_gadget\_driver->usb\_udc
 *  向上回调：udc\_bind\_to\_driver -> composite\_bind -> webcam\_bind 其中其主要作用的两个结构就是usb\_gadget\_driver 和 usb\_compsite\_dev。前者向下注册到udc list 里面，与udc控制器建立绑定关系；后者向上提供接口，供上层配置usb 设备的各种functions 和其他配置信息。

**代码分析**

1.  注册usb\_composite\_driver

module_usb_composite_driver(webcam_driver)
         module_driver(webcam_driver, usb_composite_probe, \
             usb_composite_unregister)

1.  usb\_composite\_probe

usb_composite_probe(webcam_driver);
            driver->gadget_driver = composite_driver_template;
            gadget_driver = &driver->gadget_driver;
            ...
            usb_gadget_probe_driver(composite_driver_template);
                    udc_bind_to_driver(udc, driver);
                            composite_driver_template->bind(udc->gadget, composite_driver_template);
                            usb_gadget_udc_start(udc);

1.  composite\_bind

composite_bind(udc->gadget,composite_driver_template);
            cdev->gadget = gadget;
            composite_dev_prepare(webcam_driver,cdev);
                    cdev->req = usb_ep_alloc_request(gadget->ep0, GFP_KERNEL); /* 申请端点0 */
                    cdev->req->complete = composite_setup_complete;
                    cdev->driver = webcam_driver;
                    usb_ep_autoconfig_reset(gadget);
            webcam_driver->bind(cdev);

1.  webcam\_bind

webcam_bind(cdev);
            usb_get_function_instance("uvc");
                    try_get_usb_function_instance("uvc");
                            uvc_alloc_inst();
            usb_add_config();
                    webcam_config_bind();
                            usb_get_function();
                            usb_add_function();
                    others_config_bind();

**其他**

关于function driver 我们这里没有详细介绍，这个框图只是一个通用的usb 设备驱动框架图，对于具体的usb function driver 我们这里没有做具体分析。

以f\_uvc简单举例，详细过程见内核源码。

DECLARE\_USB\_FUNCTION\_INIT(uvc, uvc\_alloc\_inst, uvc\_alloc);

DECLARE_USB_FUNCTION_INIT(uvc, uvc_alloc_inst, uvc_alloc);
            usb_function_register(&uvcusb_func);
                    list_for_each_entry(fd, &func_list, list)
                    list_add_tail();

DECLARE\_USB\_FUNCTION\_INIT

一个通用的驱动模板，用来注册usb\_function\_driver，并添加到func\_list上。

#define DECLARE_USB_FUNCTION(_name, _inst_alloc, _func_alloc)  \
     static struct usb_function_driver _name ## usb_func = {  \
      .name = __stringify(_name),    \
      .mod  = THIS_MODULE,     \
      .alloc_inst = _inst_alloc,    \
      .alloc_func = _func_alloc,    \
     };        \
     MODULE_ALIAS("usbfunc:"__stringify(_name));
    
    #define DECLARE_USB_FUNCTION_INIT(_name, _inst_alloc, _func_alloc) \
     DECLARE_USB_FUNCTION(_name, _inst_alloc, _func_alloc)  \
     static int __init _name ## mod_init(void)   \
     {        \
      return usb_function_register(&_name ## usb_func); \
     }        \
     static void __exit _name ## mod_exit(void)   \
     {        \
      usb_function_unregister(&_name ## usb_func);  \
     }        \
     module_init(_name ## mod_init);     \
     module_exit(_name ## mod_exit)

## 4. 总结 ##

本文以拆解的方式，逐步剥离 usb 设备端驱动框架，带领大家来重新认识usb 设备端驱动，同时给出了一个 compsite 设备的通用驱动框架模型，并从源码层次分析整个驱动流程。

有关USB 或者 其他类似的高级驱动，笔者有个建议，在初学时一点更要【把握主次，忽略细节】。

比如一个复合的usb 设备可能包含，uvc,uac,hid,等等，视频有uvc function驱动和v4l2驱动，uac也有相应的驱动，衍生展开会非常复杂。

所以当我们先掌握设备端驱动框架以及流程，等后面需要加入其他usb function 驱动再去研究其协议或者驱动，以及衍生驱动。

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