《Linux驱动：USB设备驱动看这一篇就够了》

一，前言

这一篇学习分析USB设备驱动程序，主要涉及到USB驱动基本概念，USB版本对比、USB主从结构、USB设备的传输类型、USB设备描述符关系、USB的数据传输对象；详细分析了USB总线驱动框架，USB Core、USB HCD、USB总线-设备-驱动模型；最后总结了USB驱动开发中的一般流程并模拟实现一个USB设备驱动程序。

二，USB子系统

2.1 USB驱动基础概念

2.1.1 USB版本

版本	理论最大速率	花名
USB 1.0	1.5Mbps	低速(Low-Speed)
USB 1.1	12Mbps	全速(Full-Speed)
USB 2.0	480Mbps	高速(High-Speed)
USB 3.0	5Gbps	超高速(Super-Speed)
USB 3.1	10Gbps	超高速+(Super-speed+)
USB 4.0	40Gbps

2.1.2 USB主从结构

USB分为USB 主机(USB Host)和USB device(USB设备)。比如USB鼠标插入到电脑，电脑就是USB Host，鼠标就是USB device。所有的USB传输，都是从USB主机这方发起的；USB设备没有"主动"通知USB主机的能力。

2.1.3 USB的传输类型

• 控制传输：控制传输是双向传输，数据量通常比较小，主要指由USB总线驱动程序用来进行查询、配置以及给USB设备发送通用的命令。控制传输典型地用在主计算机和USB外设之间的端点0(Endpoint 0)之间的传输，但是指定供应商的控制传输可能用到其它的端点。比如：USB设备的识别过程。
• 批量传输：主要应用在数据大量传输，同时又没有带宽和间隔时间要求的情况下，进行可靠传输。比如：U盘拷贝数据。
• 中断传输：中断传输主要用于定时查询设备是否有中断数据要传输，设备的端点模式器的结构决定了它的查询频率，从1到255ms之间。这种传输方式典型的应用在少量的、分散的、不可预测数据的传输，比如，键盘和鼠标就属于这一类型。中断传输是单向的并且对于host来说只有输入的方式。
• 实时传输：实时传输提供了确定的带宽和间隔时间，它被用于时间严格并具有较强容错性的流数据传输，或者用于要求恒定的数据传输率的即时应用中。比如：USB摄像头。

2.1.4 USB设备描述符

• 一个USB设备描述符中可以有多个配置描述符，即USB设备可以有多种配置；一个配置描述符中可以有多个接口描述符，即USB设备可以支持多种功能（接口）；一个接口描述符中可以有多个端点描述符。
• 一设备至少要包含设备描述符、配置描述符和接口描述符，如果USB设备没有端点描述符，则它仅仅用默认管道与主机进行数据传输。
• 接口，表示逻辑上的设备，比如USB声卡可以分为接口1-录音设备，接口2-播放设备。
• 访问设备时，即访问某个接口，接口表示逻辑设备。
• 传输数据时，即读写某个端口，端口是数据通道。

2.1.4.1 设备描述符

/* USB_DT_DEVICE: Device descriptor */
struct usb_device_descriptor {__u8  bLength; //该结构体大小__u8  bDescriptorType; //描述符类型 （此处应为0x01，即设备描述符）__le16 bcdUSB; //usb版本号 200 -> USB2.0__u8  bDeviceClass; //设备类 __u8  bDeviceSubClass; //设备类子类__u8  bDeviceProtocol; //设备协议，以上三点都是USB官方定义__u8  bMaxPacketSize0; //端点0最大包大小 （只能为8,16,32,64）__le16 idVendor; //厂家id__le16 idProduct; //产品id__le16 bcdDevice; //设备出厂编号__u8  iManufacturer; //描述厂商信息的字符串描述符的索引值__u8  iProduct; //描述产品信息的字串描述符的索引值__u8  iSerialNumber; //描述设备序列号信息的字串描述符的索引值 __u8  bNumConfigurations; //可能的配置描述符的数目
} __attribute__ ((packed));

2.1.4.2 配置描述符

struct usb_config_descriptor {__u8  bLength; //该结构体大小__u8  bDescriptorType;//描述符类型（本结构体中固定为0x02)  __le16 wTotalLength; //该配置下，信息的总长度（包括配置，接口，端点和设备类及厂商定义的描述符）__u8  bNumInterfaces; //接口的个数__u8  bConfigurationValue; //Set_Configuration命令所需要的参数值，用来选定此配置__u8  iConfiguration; //描述该配置的字符串描述的索引值 __u8  bmAttributes;//供电模式的选择  __u8  bMaxPower;//设备从总线提取的最大电流
} __attribute__ ((packed));

2.1.4.3 接口描述符

配置描述符中包含了一个或多个接口描述符，这里的“接口”并不是指物理存在的接口，在这里把它称之为“功能”更易理解些，例如一个设备既有录音的功能又有扬声器的功能，则这个设备至少就有两个“接口”。

struct usb_interface_descriptor {__u8  bLength;		//该结构体大小__u8  bDescriptorType;//接口描述符的类型编号(0x04）__u8  bInterfaceNumber;  //该接口的编号  __u8  bAlternateSetting; //备用的接口描述符编号  __u8  bNumEndpoints; //该接口使用的端点数，不包括端点0  __u8  bInterfaceClass; //接口类__u8  bInterfaceSubClass; //子类__u8  bInterfaceProtocol; //协议__u8  iInterface;//描述此接口的字串描述表的索引值  
} __attribute__ ((packed));

2.1.4.4 端点描述符

端点是设备与主机之间进行数据传输的逻辑接口，除配置使用的端点0（控制端点，一般一个设备只有一个控制端点）为双向端口外，其它均为单向。端点描述符描述了数据的传输类型、传输方向、数据包大小和端点号（也可称为端点地址）等。

除了描述符中描述的端点外，每个设备必须要有一个默认的控制型端点，地址为0，它的数据传输为双向，而且没有专门的描述符，只是在设备描述符中定义了它的最大包长度。主机通过此端点向设备发送命令，获得设备的各种描述符的信息，并通过它来配置设备。

/* USB_DT_ENDPOINT: Endpoint descriptor */
struct usb_endpoint_descriptor {__u8  bLength;        //端点描述符字节数大小（7个字节）__u8  bDescriptorType;//端点描述符类型编号（0x05) __u8  bEndpointAddress; //此描述表所描述的端点的地址、方向 : // bit3~bit0:端点号，bit6~bit4:保留，// bit7:方向，如果是控制端点则忽略，0-输出端点（主机到设备）1-输入端点（设备到主机）__u8  bmAttributes; // 端点特性，bit1~bit0 表示传输类型，其他位保留// 00-控制传输  01-实时传输   10-批量传输 11-中断传输__le16 wMaxPacketSize;  //端点收、发的最大包大小__u8  bInterval; // 中断传输模式中主机查询端点的时间间隔。// 对于实时传输的端点此域必需为1，表示周期为1ms。对于中断传输的端点此域值的范围为1ms到255ms/* NOTE:  these two are _only_ in audio endpoints. *//* use USB_DT_ENDPOINT*_SIZE in bLength, not sizeof. */__u8  bRefresh;__u8  bSynchAddress;
} __attribute__ ((packed));

2.1.4.5 字符串描述符

struct usb_string_descriptor {__u8  bLength;  // 此描述表的字节数（bString域的数值N＋2）__u8  bDescriptorType; // 字串描述表类型（此处应为0x03）__le16 wData[1];		/* UTF-16LE encoded */  
} __attribute__ ((packed));

2.1.4.6 人机接口描述符

USB 设备中有一大类就是 HID 设备，即 Human Interface Devices，人机接口设备。这类设备包括鼠标、键盘等，主要用于人与计算机进行交互。 它是 USB 协议最早支持的一种设备类。 HID 设备可以作为低速、全速、高速设备用。由于 HID 设备要求用户输入能得到及时响应，故其传输方式通常采用中断方式。
在 USB 协议中， HID 设备的定义放置在接口描述符中， USB 的设备描述符和配置描述符中不包含 HID 设备的信息。因此，对于某些特定的 HID 设备，可以定义多个接口，只有其中一个接口为 HID 设备类即可。

2.1.4.6 USB描述符的类型值

类型	描述符	类型值
标准描述符	设备描述符	0x01
	配置描述符	0x02
	字符串描述符	0x03
	接口描述符	0x04
	端点描述符	0x05
类描述符	集线器类描述符	0x29
	人机接口类描述符	0x21
厂商定义的描述符		0xff

2.1.5 USB的数据传输对象

端点，一个USB设备可以有多个端点，和主机间的数据传输称为到设备端点的数据传输。比如说，对于一个U盘，可以细分为两个端点，把数据写到U盘的端点1、从U盘的端点2读取数据。

2.2 USB子系统框架

三，USB总线驱动程序

3.1 USB Core

初始化内核USB总线及提供USB相关API，为设备驱动和HCD的交互提供桥梁。

Linux启动阶段，通过subsys_initcall会完成USB Core的加载

subsys_initcall(usb_init);                

3.1.1 注册 USB 总线

USB是基于总线-驱动-设备模型的框架，其初始化阶段一个重点任务就是完成USB总线的创建。usb_bus_type提供了驱动和设备匹配的匹配函数，后面注册设备和驱动时会调用到。

retval = bus_register(&usb_bus_type);
if (retval) goto bus_register_failed;struct bus_type usb_bus_type = {.name =		"usb",.match =	usb_device_match,.uevent =	usb_uevent,.suspend =	usb_suspend,.resume =	usb_resume,
};

使用bus_register接口注册USB总线，会创建出两条链表用来分别存放向USB总线注册的设备和驱动。

klist_init(&bus->klist_devices, klist_devices_get, klist_devices_put);
klist_init(&bus->klist_drivers, NULL, NULL);

3.1.2 注册USB接口驱动

一个设备可以有多个接口，每个接口对应着不同的功能。

// 在usb总线注册USB接口驱动，该驱动被放在usb总线的驱动链表中。
retval = usb_register(&usbfs_driver);
if (retval)goto driver_register_failed;struct usb_driver usbfs_driver = {.name =		"usbfs",.probe =	driver_probe,.disconnect =	driver_disconnect,
};

3.1.3 初始化USB Hub

初始化一个USB设备集线器，用来检测USB设备的连接和断开。

// linux-2.6.22.6/drivers/usb/core/usb.c
retval = usb_hub_init();
if (retval)goto hub_init_failed;// linux-2.6.22.6/drivers/usb/core/hub.c
int usb_hub_init(void)
{// 在usb总线注册一个hub驱动，该驱动被放在usb总线的驱动链表中。if (usb_register(&hub_driver) < 0) {printk(KERN_ERR "%s: can't register hub driver\n",usbcore_name);return -1;}// 创建一个线程，用来处理USB设备的断开、连接等事件khubd_task = kthread_run(hub_thread, NULL, "khubd");if (!IS_ERR(khubd_task))return 0;/* Fall through if kernel_thread failed */usb_deregister(&hub_driver);printk(KERN_ERR "%s: can't start khubd\n", usbcore_name);return -1;
}static struct usb_driver hub_driver = {.name =		"hub",.probe =	hub_probe,.disconnect =	hub_disconnect,.suspend =	hub_suspend,.resume =	hub_resume,.pre_reset =	hub_pre_reset,.post_reset =	hub_post_reset,.ioctl =	hub_ioctl,.id_table =	hub_id_table,.supports_autosuspend =	1,
};static int hub_thread(void *__unused)
{do {/*hub_events()是一个死循环，其任务是解析hub_event_list，来一个一个处理发生在hub上的事件，比如插入，拔出。当hub_event_list事件被处理完后，break跳出while，通过wait_event_freezable使进程进入休眠态。一旦hub_event_list上有新事件需要处理，此处khubd_wait会在事件中断中被唤醒，重新执行到此处的hub_events()来遍历执行事件，完成处理。*/hub_events();wait_event_interruptible(khubd_wait,!list_empty(&hub_event_list) ||kthread_should_stop());try_to_freeze();} while (!kthread_should_stop() || !list_empty(&hub_event_list));pr_debug("%s: khubd exiting\n", usbcore_name);return 0;
}

3.1.3.1 khubd_wait 的唤醒

hub_probe ->    hub_configure ->usb_fill_int_urb(hub->urb, hdev, pipe, *hub->buffer, maxp, hub_irq,hub, endpoint->bInterval);// usb_fill_int_urb 接口创建了一个中断类型的 USB请求控制块hub_irq -> kick_khubd(hub) ->wake_up