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第一部分 USB驱动程序框架
app:
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USB设备驱动程序 // 知道数据含义
内核 --------------------------------------
USB总线驱动程序 // 1. 识别, 2. 找到匹配的设备驱动, 3. 提供USB读写函数 (它不知道数据含义)
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USB主机控制器
UHCI OHCI EHCI
硬件 -----------
USB设备
UHCI: intel, 低速(1.5Mbps)/全速(12Mbps)
OHCI: microsoft 低速/全速
EHCI: 高速(480Mbps)
第二部分 USB设备基础概念
在终端用户看来，USB设备为主机提供了多种多样的附加功能，如文件传输，声音播放等，但对USB主机来说，它与所有USB设备的接口都是一致的。一个USB设备由3个功能模块组成：USB总线接口、USB逻辑设备和功能单元：
a -- 这里的USB总线接口指的是USB设备中的串行接口引擎（SIE）；
b -- USB逻辑设备被USB系统软件看作是一个端点的集合；
c -- 功能单元被客户软件看作是一个接口的集合。SIE、端点和接口都是USB设备的组成单元；
为了更好地描述USB设备的特征，USB提出了设备架构的概念。从这个角度来看，可以认为USB设备是由一些配置、接口和端点组成，即一个USB设备可以含有一个或多个配置（不同的配置使设备表现出不同的功能组合，在探测/连接期间需要从中选定一个），在每个配置中可含有一个或多个接口（一个配置中的所有接口可以同时有效，并可被不同的程序连接），在每个接口中可含有若干个端点（代表一个基本功能，每个端点都有一定的属性，其中包括传输方式、总线访问频率、带宽、端点号和数据包的最大容量等）。其中，配置和接口是对USB设备功能的抽象，实际的数据传输由端点来完成。在使用USB设备前，必须指明其采用的配置和接口。这个步骤一般是在设备接入主机时设备进行枚举时完成的。
usb设备非常复杂，有许多不同的逻辑单元组成，这些单元的关系如下：
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设备描述符(usb_device_descriptor)：关于设备的通用信息，如供货商ID及适用的协议等，在Linux内核中，USB设备用usb_device结构体来描述，位于include/uapi/linux/usb/ch9.h中，一个USB设备只能有一个设备描述符。
1 struct usb_device_descriptor {
2 __u8 bLength; //描述符长度
3 __u8 bDescriptorType; //描述符类型编号
4
5 __le16 bcdUSB; //USB版本号
6 __u8 bDeviceClass; //USB分配的设备类code
7 __u8 bDeviceSubClass; //USB分配的子类code
8 __u8 bDeviceProtocol; //USB分配的协议code
9 __u8 bMaxPacketSize0; //endpoint0最大包大小
10 __le16 idVendor; //厂商编号
11 __le16 idProduct;
12 __le16 bcdDevice;
13 __u8 iManufacturer;
14 __u8 iProduct;
15 __u8 iSerialNumber;
16 __u8 bNumConfigurations; //可能的配置数量
17 } __attribute__ ((packed));
usb_device_descriptor配置描述符（usb_config_descriptor）：一个USB设备可以包含一个或多个配置，如USB设备的低功耗模式和高功耗模式可分别对应一个配置。在使用USB设备前，必须为其选择一个合适的配置。配置描述符用于说明USB设备中各个配置的特性，如配置所含接口的个数等。USB设备的每一个配置都必须有一个配置描述符。
1 struct usb_config_descriptor {
2 __u8 bLength;
3 __u8 bDescriptorType;
4
5 __le16 wTotalLength;
6 __u8 bNumInterfaces;
7 __u8 bConfigurationValue;
8 __u8 iConfiguration;
9 __u8 bmAttributes;
10 __u8 bMaxPower;
11 } __attribute__ ((packed));
usb_config_descriptor接口描述符（usb_interface_descriptor）：一个配置可以包含一个或多个接口，例如对一个光驱来说，当用于文件传输时，使用其大容量存储接口；而当用于播放CD时，使用其音频接口。接口是端点的集合，可以包含一个或多个可替换设置，用户能够在USB处于配置状态时改变当前接口所含的个数和特性。接口描述符用于说明设备中各个接口的特性，如接口所属的设备类及其子类等。USB设备的每个接口（usb_interface）都必须有一个接口描述符。
1 struct usb_interface_descriptor {
2 __u8 bLength;
3 __u8 bDescriptorType;
4
5 __u8 bInterfaceNumber;
6 __u8 bAlternateSetting;
7 __u8 bNumEndpoints;
8 __u8 bInterfaceClass;
9 __u8 bInterfaceSubClass;
10 __u8 bInterfaceProtocol;
11 __u8 iInterface;
12 } __attribute__ ((packed));
usb_interface_descriptor端点描述符（usb_endpoint_descriptor）：端点地址、方向、类型以及支持的最大包大小等。端点是USB设备中的实际物理单元，USB数据传输就是在主机和USB设备各个端点之间进行的。端点一般由USB接口芯片提供，例如Freescale公司的MC68HC908JB8和MC9S12UF32。USB设备中的每一个端点都有唯一的端点号，每个端点所支持的数据传输方向一般而言也是确定的：或是输入（IN），或是输出（OUT）。也有些芯片提供的端点的数据方向是可以配置的，例如MC68HC908JB8包含有两个用于数据收发的端点：端点1和端点2。其中端点1只能用于数据发送，即支持输入（IN）操作；端点2既能用于数据发送，也可用于数据接收，即支持输入（IN）和输出（OUT）操作。而MC9S12UF32具有6个端点。利用设备地址、端点号和传输方向就可以指定一个端点，并与它进行通信。端点的传输特性还决定了其与主机通信是所采用的传输类型，例如控制端点只能使用控制传输。根据端点的不同用途，可将端点分为两类：0号端点和非0号端点。0号端点比较特殊，它有数据输入IN和数据输出OUT两个物理单元，且只能支持控制传输。所有的USB设备都必须含有一个0号端点，用作默认控制管道。USB系统软件就是使用该管道与USB逻辑设备进行配置通信的。0号端点在USB设备上的以后就可以使用，而非0号端点必须要在配置以后才可以使用。
1 struct usb_endpoint_descriptor {
2 __u8 bLength;
3 __u8 bDescriptorType;
4
5 __u8 bEndpointAddress;
6 __u8 bmAttributes;
7 __le16 wMaxPacketSize;
8 __u8 bInterval;
9
10 /* NOTE: these two are _only_ in audio endpoints. */
11 /* use USB_DT_ENDPOINT*_SIZE in bLength, not sizeof. */
12 __u8 bRefresh;
13 __u8 bSynchAddress;
14 } __attribute__ ((packed));
usb_endpoint_descriptor第三部分 USB设备驱动
(1)在编写新的USB设备驱动时，主要应该完成的工作是probe()和disconnect()函数，即探测函数和断开函数。USB设备驱动的模块加载函数通用的方法是在USB设备驱动的模块加载函数中使用usb_register（struct *usb_driver）函数添加usb_driver的工作,而在模块卸载函数中利用usb_deregister（struct *usb_driver）做相反的工作。 对应I2C设备驱动中的 i2c_add_driver(&i2c_driver)与i2c_del_driver(&i2c_driver)。
static inline int usb_register(struct usb_driver *driver)
void usb_deregister(struct usb_driver *driver)
1 static int __init usb_skel_init(void)
2 {
3 int result;
4
5 /* register this driver with the USB subsystem */
6 result = usb_register(&skel_driver);
7 if (result)
8 err("usb_register failed. Error number %d", result);
9
10 return result;
11 }
12
13 static void __exit usb_skel_exit(void)
14 {
15 /* deregister this driver with the USB subsystem */
16 usb_deregister(&skel_driver);
17 }
usb_skel_initusb_driver结构体中的id_table成员描述了这个usb驱动所支持的USB设备列表，它指向一个usb_device_id数组，usb_device_id结构体包含有USB设备的制造商ID、产品ID、产品版本等信息。
1 struct usb_driver {
2 const char *name;
3 int (*probe) (struct usb_interface *intf,
4 const struct usb_device_id *id);
5 void (*disconnect) (struct usb_interface *intf);
6 int (*ioctl) (struct usb_interface *intf, unsigned int code,
7 void *buf);
8 int (*suspend) (struct usb_interface *intf, pm_message_t message);
9 int (*resume) (struct usb_interface *intf);
10 int (*reset_resume)(struct usb_interface *intf);
11 int (*pre_reset)(struct usb_interface *intf);
12 int (*post_reset)(struct usb_interface *intf);
13 const struct usb_device_id *id_table;
14 struct usb_dynids dynids;
15 struct usbdrv_wrap drvwrap;
16 unsigned int no_dynamic_id:1;
17 unsigned int supports_autosuspend:1;
18 unsigned int soft_unbind:1;
19 };
usb_driver设备驱动工作过程：当USB设备核心检测到某个设备的属性和某个驱动程序的usb_device_id结构体所携带的信息一致时，这个程序的probe()函数就会执行，拔掉设备或者卸载驱动模块之后USB核心就会执行disconnect()函数。
usb_driver本身只是找到USB设备、管理USB设备连接和断开作用，也就是说它是公司入口处的“打卡机”，可以获取员工（USB设备）的上下班情况，树叶和员工一样，可以是研发工程师，也可以是销售工程师，而作为USB设备的树叶可以是字符树叶、网络树叶或块树叶，因此必须实现相应设备类的驱动
1 retval = usb_register_dev(interface, &skel_class);
2 static struct usb_class_driver skel_class = {
3 .name = "skel%d",
4 .fops = &skel_fops,
5 .minor_base = USB_SKEL_MINOR_BASE,
6 };
7 //实现设备类的驱动
8 static const struct file_operations skel_fops = {
9 .owner = THIS_MODULE,
10 .read = skel_read,
11 .write = skel_write,
12 .open = skel_open,
13 .release = skel_release,
14 .flush = skel_flush,
15 };
skel_class(2)USB请求块（urb结构体）
USB请求块是USB设备驱动中用来描述与USB设备通信所用的基本载体和核心数组结构，非常类似于网络设备驱动中的sk_buff结构体。
a、URB处理流程
USB设备中每个端点都处理一个urb队列，在队列被清空之前，一个urb的典型生命周期如下：
1）创建urb：struct urb *usb_alloc_urb(int iso_packets, gfp_t mem_flags)
参数：iso_packets是这个URB应当包含的等时数据包的数目，mem_flags参数是分配内存的标志，如果分配成功则返回一个urb结构体指针。
2）初始化urb（被安排给一个特定的USB设备的特定端点）static inline void usb_fill_bulk_urb(struct urb *urb,struct usb_device *dev,unsigned int pipe,void *transfer_buffer,int buffer_length,usb_complete_t complete_fn,void *context)
参数：urb指向要被初始化的urb的指针，dev指向这个urb要被发送到的USB设备，pipe是这个URB要被发送到的USB设备的特定端点，transfer_buffer是指向发送数据或者接收数据的缓冲区的指针，是动态分配的；complete_fn函数指向当这个URB完成时被调用的完成处理函数；context是完成处理函数的“上下文”。
3）提交urb：int usb_submit_urb(struct urb *urb, gfp_t mem_flags)
参数：mem_flag，与传递给kmalloc()函数参数的意义相同，用于告知USB核心如何在此时分配内存缓冲区。
如果usb_submit_urb()函数调用成功，即URB的控制权被移交给USB核心，该函数返回0，否则返回错误号。
4）提交由USB核心指定的USB主机控制器驱动。
5）被USB主机控制器处理，进行一次到USB设备的传送。
第4）~5）步由USB核心和主机控制器完成，不受USB设备驱动的控制。
6）当URB完成，URB将结束，USB主机控制器驱动通知USB设备驱动。
原文链接：https://www.cnblogs.com/gzqblogs/p/10159417.html（版权归原作者所有，侵删）
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发表于 2022-9-21 02:34:41