USB驱动程序

程序员文章站 2022-03-22 16:57:21

...

概念

现象：把USB设备接到PC
1. 右下角弹出"发现android phone"
2. 跳出一个对话框，提示你安装驱动程序

问1. 既然还没有"驱动程序"，为何能知道是"android phone"
答1. windows里已经有了USB的总线驱动程序，接入USB设备后，是"总线驱动程序"知道你是"android phone" ，提示你安装的是"设备驱动程序"。
USB总线驱动程序负责：识别USB设备, 给USB设备找到对应的驱动程序

问2. USB设备种类非常多，为什么一接入电脑，就能识别出来？
答2. PC和USB设备都得遵守一些规范。
USB总线驱动程序会发出某些命令想获取设备信息(描述符)，
USB设备必须返回"描述符"给PC

问3. PC机上接有非常多的USB设备，怎么分辨它们？
USB接口只有4条线: 5V,GND,D-,D+
答3. 每一个USB设备接入PC时，USB总线驱动程序都会给它分配一个编号
接在USB总线上的每一个USB设备都有自己的编号(地址)
PC机想访问某个USB设备时，发出的命令都含有对应的编号(地址)

问4. USB设备刚接入PC时，还没有编号；那么PC怎么把"分配的编号"告诉它？
答4. 新接入的USB设备的默认编号是0，在未分配新编号前，PC使用0编号和它通信。接着就可以通过 0 号编号分配它新的编号（通信）。
USB驱动程序
问5. 为什么一接入USB设备，PC机就能发现它？
答5. PC的USB口内部，D-和D+接有15K的下拉电阻，未接USB设备时为低电平。
USB设备的USB口内部，D-或D+接有1.5K的上拉电阻；它一接入PC，就会把PC USB口的D-或D+拉高，从硬件角度通知PC有新设备接入。
USB驱动程序
USB 设备中，D+ 或 D- 那里要接一个“上拉电阻”接到 5V。一开始“PC–USB 设备”间没有连接时，PC 端"D-,D+"两个引脚都是低电平，两边连接时，USB 设备端的 5V 通过上拉电阻 RA 一直过来到 PC 端，这时 PC 端 D-引脚的 A 点就变成高电平了。这时 PC 端的硬件就能力发现新设备。

其他概念

USB是主从结构的
所有的USB传输，都是从USB主机这方发起；USB设备没有"主动"通知USB主机的能力。
例子：USB鼠标滑动一下立刻产生数据，但是它没有能力通知PC机来读数据，只能被动地等得PC机来读。PC要保证数据即时，要不断查询。
USB的传输类型:
a. 控制传输：可靠，时间有保证，比如：USB设备的识别过程
b. 批量传输：可靠, 时间没有保证, 比如：U盘
c. 中断传输：可靠，实时，比如：USB鼠标
d. 实时传输：不可靠，实时，比如：USB摄像头
USB传输的对象：端点(endpoint)
我们说"读U盘"、“写U盘”，可以细化为：把数据写到U盘的端点1，从U盘的端点2里读出数据。
除了端点0外，每一个端点只支持一个方向的数据传输。端点0用于控制传输，既能输出也能输入。 （用于控制传输，把地址告诉你是输出，问你的描述符是输入）
每一个端点都有传输类型，传输方向 （只有一个类型和方向）
术语里、程序里说的输入(IN)、输出(OUT) “都是” 基于USB主机的立场说的。
比如鼠标的数据是从鼠标传到PC机, 对应的端点称为"输入端点"
USB总线驱动程序的作用
a. 识别USB设备
b. 查找并安装对应的设备驱动程序
c. 提供USB读写函数

USB驱动程序框架

USB主机控制器有三种规范：
UHCI: intel, 低速(1.5Mbps)/全速(12Mbps)
OHCI: microsoft 低速/全速 S3C2440
EHCI: 高速(480Mbps)

USB总线驱动程序的作用：
1. 识别USB设备
1.1 分配地址，并告诉USB设备 (set address)
1.2 发出命令获取描述符
2. 查找并安装对应的设备驱动程序
3. 提供USB读写函数

USB 总线驱动程序就是用来支持 “硬件 – USB 主机控制器”的。可以认为“USB 总线驱动程序”就是“USB 主机控制器”的驱动程序。
USB 设备驱动程序就是用来支持 “硬件 – USB 设备”的。但是为了访问“USB 设
备”，就要用到了“USB 总线驱动程序”提供的函数，将命令或数据发给“USB 主机控制器”，由“USB 主机控制器”产生信号发送给“USB 设备”。 USB驱动程序
接上一个"USB 设备"后，由 USB 设备中的上拉电阻使得 USB 主机控制器一端的 “D-”或"D+" 有了电平，硬件方面就感知到了有 USB 设备接入。USB 主机控制器中就会产生某个中断。

kick_khubd	 //踢，把进程踢醒
	hub_thread	 //hub线程，它是内核线程平时在队列里休眠，有事发生时被唤醒
		hub_events   							//hub事件
			hub_port_connect_change    			//端口连接发生变化
				udev = usb_alloc_dev(hdev, hdev->bus, port1);
					dev->dev.bus = &usb_bus_type   //USB总线
				choose_address(udev);      	// 给新设备分配编号(地址)
				hub_port_init 
// usb 1-1: new full speed USB device using s3c2410-ohci and address 3
//在这个函数里打印发现一个usb设备，向上反推是谁调用。
					hub_set_address // 把编号(地址)告诉USB设备，以后用新地址
					usb_get_device_descriptor(udev, 8)     
// 获取设备描述符。为什么只获得8个字节呢？因为它还不知道这个端点0一次性能够传
//输多少数据，在设备描述符中读8个字节刚好读到__u8  bMaxPacketSize0，就知道
//端点0一次能传输多大数据。得到这个大小以后就可尽快的从里面得到数据了，下面还有
//重读的过程。根据bMaxPacketSize0设置这个值，下面再次获得设备描述符。
					retval =usb_get_device_descriptor(udev,USB_DT_DEVICE_SIZE)
					//再次获得设备描述符
					usb_new_device(udev)     //新建一个设备
						err = usb_get_configuration(udev); // 把所有的描述符都读出来，并解析。
						usb_parse_configuration   	//解析
						device_add  		
// 添加设备，这就回到了总线设备驱动模型了。把device放入usb_bus_type的dev链表,
//从usb_bus_type的driver链表里取出usb_driver，把usb_interface和usb_driver的
//id_table比较，如果能匹配，调用usb_driver的probe。

USB总线设备驱动程序：当我们接上一个USB设备之后就会产生中断，在中断程序里会分配一个编号（地址），然后把这个地址告诉USB设备，发出各种命令获得它的设备描述符，然后注册一个device。这个device会放到USB总线的设备链表，并且会从总线的驱动链表里面取出USB设备驱动，一一比较，如果能匹配就调用驱动的probe函数。

述符的信息可以在include\linux\usb\Ch9.h看到（格式化的数据）。每个硬件都有一个USB设备描述符，可以发出某个命令得到USB描述符。

struct usb_device_descriptor {
	__u8  bLength;				//描述符长度
	__u8  bDescriptorType;		//描述符类型
	__le16 bcdUSB;				//USB版本号
	__u8  bDeviceClass;			//USB类
	__u8  bDeviceSubClass;		//USB子类
	__u8  bDeviceProtocol;		//USB协议
	__u8  bMaxPacketSize0;		//最大包大小，端点0
	--------------------------------------------------读8字节
	__le16 idVendor;				//厂家ID
	__le16 idProduct;				//产品ID
	__le16 bcdDevice;
	__u8  iManufacturer;
	__u8  iProduct;
	__u8  iSerialNumber;
	__u8  bNumConfigurations;   //配置的个数，就是这个设备有多少种配置
} __attribute__ ((packed));

一个设备里还有配置描述符（一个设备可能有多种配置）。

struct usb_config_descriptor {
	__u8  bLength;          //描述符长度
	__u8  bDescriptorType;   //描述符类型
	__le16 wTotalLength;     //这个配置下所有信息的总长度，可以一次读出
	__u8  bNumInterfaces;   //接口个数
	__u8  bConfigurationValue;
	__u8  iConfiguration;
	__u8  bmAttributes;    	//属性
	__u8  bMaxPower;		//电源
} __attribute__ ((packed));

一个设备里可能有多个接口（接口：逻辑上的设备。一个设备硬件上只有一个逻辑上可能有多个，比如USB声卡，硬件上只有一个，但逻辑上可以有两个功能：录音和播放。就可以把它分为两个接口就两个逻辑设备，用两个接口描述符来分别描述它们），那就有接口描述符。

struct usb_interface_descriptor {
	__u8  bLength;				//描述符长度
	__u8  bDescriptorType;		//描述符类型
	__u8  bInterfaceNumber;		//接口个数
	__u8  bAlternateSetting;
	__u8  bNumEndpoints;    	//端点个数
	__u8  bInterfaceClass;			//类
	__u8  bInterfaceSubClass;		//子类
	__u8  bInterfaceProtocol;		//协议
	__u8  iInterface;
} __attribute__ ((packed));

USB传输的对象是端点，所以又有端点描述符。

struct usb_endpoint_descriptor {
	__u8  bLength;
	__u8  bDescriptorType;
	__u8  bEndpointAddress;		//端点地址描述符，端点1/2..？
	__u8  bmAttributes;			//属性（输入、输出、中断、实时、控制？）
	__le16 wMaxPacketSize;  		//最大包，最多一次性可以读出多少数据
	__u8  bInterval;				//查询有多频繁（以中断的名字查询）
	…
} __attribute__ ((packed));

USB驱动程序
每个硬件都有设备描述符，一个设备下可能有多个配置，一个配置里可能有多个接口（逻辑上的设备），我们写驱动是给逻辑上的设备写的（所以一个USB硬件可能安装多个驱动程序，因为它可能有多个逻辑设备）。一个接口里面有多个端点，端点描述符里会表示说它一次性能传输多大的数据、端点编号、方向、传输类型这些信息。我们把这些描述符统统读出来之后，对这个USB设备就了如指掌，就根据这些信息找到驱动程序。
USB驱动程序
总结
当接上一个 USB 设备时，就会产生一个中断（hub_irq（））,在中断里会分配一个编号地址(choose_address（udev）)。
再然后把这个地址告诉 USB 设备(hub_set_address（）)。
接着发出各种命令获取 USB 设备的“设备描述符”(usb_get_device_descriptor
（）)。
再然后注册一个 device(device_add（）)。这个被注册的 device 会被放到USB 总线（usb_bus_type）的“设备链表”。并且会从总线（usb_bus_type）的“驱动链表”中取出"usb_driver" - USB 设备驱动结构，把 usb_interface 和 usb_driver 的 id_table 比较，若能匹配就去调用“usb_driver”结构中的“.probe”函数。

USB 驱动设备简单编写

USB 总线驱动程序，在接入 USB 设备时，会帮我们构造一个新的 usb_dev 注册到“usb_bus_type”里去。这部分是内核做好的。我们要做的是，构造一个 usb_driver 结构体，注册到“usb_bus_type”中去。在“usb_driver”结构体中有“id_table”表示他能支持哪些设备，当 USB 设备能匹配 id_table 中某一个设备时，就会调用“usb_driver”结构体中的“.probe”(自已确定在 probe 中做的事情)等函数，如当拔掉USB 设备时，就会调用其中的“.disconnect”函数。
“usb_bus_type”USB 总线驱动设备模型只是提供了这一种框架而已。在".probe"函数里面做什么，可以自已确定。

怎么写 USB 设备驱动程序？

1 分配/设置 usb_driver 结构体

static struct usb_driver usb_mouse_driver = {
	.name		= "usbmouse",
	.probe		= usb_mouse_probe,	//表示“USB 总线驱动程序”发现一个新设备
//后，就会与 driver 比较，若 id_table 表示能支持它，就调用.probe 函数。
	.disconnect	= usb_mouse_disconnect,	//拔掉 USB 设备时调用这个函数
	.id_table	= usb_mouse_id_table,	//表示支持哪些设备
};

2 注册

写 USB 设备驱动程序与以前的以前的驱动程序的差别就是硬件的操作不一样了。使用 USB 总线驱动程序提供的读写函数要收发数据。
urb(usb request block)：usb请求块
分配：uk_urb = usb_alloc_urb(0, GFP_KERNEL)
3要素设置：usb_fill_int_urb(uk_urb, dev, pipe, usb_buf, len,usbmouse_as_key_irq, NULL, endpoint->bInterval);
uk_urb->transfer_dma = usb_buf_phys;
uk_urb->transfer_flags |= URB_NO_TRANSFER_DMA_MAP;
使用：usb_submit_urb(uk_urb, GFP_KERNEL);

/*
 * drivers\hid\usbhid\usbmouse.c
 */

#include <linux/kernel.h>
#include <linux/slab.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/usb/input.h>
#include <linux/hid.h>

static struct input_dev *uk_dev;
static char *usb_buf;
static dma_addr_t usb_buf_phys;
static int len;
static struct urb *uk_urb;

static struct usb_device_id usbmouse_as_key_id_table [] = {	//id_table支持的设备
	{ USB_INTERFACE_INFO(USB_INTERFACE_CLASS_HID, USB_INTERFACE_SUBCLASS_BOOT,
		USB_INTERFACE_PROTOCOL_MOUSE) },
	//{USB_DEVICE(0x1234,0x5678)},	直接指定厂家ID和设备ID
	{ }	/* Terminating entry */
};

static void usbmouse_as_key_irq(struct urb *urb)
{
	static unsigned char pre_val;
	/* USB鼠标数据含义
	 * data[0]: bit0-左键, 1-按下, 0-松开
	 *          bit1-右键, 1-按下, 0-松开
	 *          bit2-中键, 1-按下, 0-松开 
     */
	if ((pre_val & (1<<0)) != (usb_buf[0] & (1<<0))){
		/* 左键发生了变化 */
		input_event(uk_dev, EV_KEY, KEY_L, (usb_buf[0] & (1<<0)) ? 1 : 0);
		input_sync(uk_dev);
	}
	if ((pre_val & (1<<1)) != (usb_buf[0] & (1<<1))){
		/* 右键发生了变化 */
		input_event(uk_dev, EV_KEY, KEY_S, (usb_buf[0] & (1<<1)) ? 1 : 0);
		input_sync(uk_dev);
	}
	if ((pre_val & (1<<2)) != (usb_buf[0] & (1<<2))){
		/* 中键发生了变化 */
		input_event(uk_dev, EV_KEY, KEY_ENTER, (usb_buf[0] & (1<<2)) ? 1 : 0);
		input_sync(uk_dev);
	}	
	pre_val = usb_buf[0];

	/* 重新提交urb */
	usb_submit_urb(uk_urb, GFP_KERNEL);
}

static int usbmouse_as_key_probe(struct usb_interface *intf, const struct usb_device_id *id){
	struct usb_device *dev = interface_to_usbdev(intf);	
	//通过USB接口得到usb_device结构体，里面有描述符
	struct usb_host_interface *interface;
	struct usb_endpoint_descriptor *endpoint;
	int pipe;
	
	interface = intf->cur_altsetting;
	endpoint = &interface->endpoint[0].desc;

	/* a. 分配一个input_dev */
	uk_dev = input_allocate_device();		
	/* b. 设置 */
	/* b.1 能产生哪类事件 */
	set_bit(EV_KEY, uk_dev->evbit);		//按键类
	set_bit(EV_REP, uk_dev->evbit);		//重复类
	/* b.2 能产生哪些事件 */
	set_bit(KEY_L, uk_dev->keybit);
	set_bit(KEY_S, uk_dev->keybit);
	set_bit(KEY_ENTER, uk_dev->keybit);	
	/* c. 注册 */
	input_register_device(uk_dev);
	
	/* d. 硬件相关操作 */
	/* 数据传输3要素: 源,目的,长度 */
	/* 源: USB设备的某个端点 */
	pipe = usb_rcvintpipe(dev, endpoint->bEndpointAddress);
	/* 长度: */
	len = endpoint->wMaxPacketSize;		//端点描述符最大包大小
	/* 目的: */
	usb_buf = usb_buffer_alloc(dev, len, GFP_ATOMIC, &usb_buf_phys);	//分配缓冲区

	/* 使用"3要素" */
	/* 分配usb request block */
	uk_urb = usb_alloc_urb(0, GFP_KERNEL);	
	/* 使用"3要素设置urb" */
	usb_fill_int_urb(uk_urb, dev, pipe, usb_buf, len, usbmouse_as_key_irq, NULL, endpoint->bInterval);
	uk_urb->transfer_dma = usb_buf_phys;
	uk_urb->transfer_flags |= URB_NO_TRANSFER_DMA_MAP;

	/* 使用URB */
	usb_submit_urb(uk_urb, GFP_KERNEL);	
	return 0;
}

static void usbmouse_as_key_disconnect(struct usb_interface *intf)
{
	struct usb_device *dev = interface_to_usbdev(intf);
	usb_kill_urb(uk_urb);
	usb_free_urb(uk_urb);
	usb_buffer_free(dev, len, usb_buf, usb_buf_phys);
	input_unregister_device(uk_dev);
	input_free_device(uk_dev);
}

/* 1. 分配/设置usb_driver */
static struct usb_driver usbmouse_as_key_driver = {
	.name		= "usbmouse_as_key_",
	.probe		= usbmouse_as_key_probe,
	.disconnect	= usbmouse_as_key_disconnect,
	.id_table	= usbmouse_as_key_id_table,
};

static int usbmouse_as_key_init(void){
	usb_register(&usbmouse_as_key_driver);	// 2. 注册 usb_driver
	return 0;
}

static void usbmouse_as_key_exit(void){
	usb_deregister(&usbmouse_as_key_driver);	//	卸载usb_driver
}

module_init(usbmouse_as_key_init);
module_exit(usbmouse_as_key_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");

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