USB 驅動框架分析

這里先說一些概念性的東西，了解一下USB

　　一、關於usb設備 都見過很多，用過很多了，每當我們插上一個usb設備到pc的時 右下角就會彈出一個提示信息，提示“發現xxx”設備，再接着跳出一個對話框提示安裝驅動程序，那么，即然沒有驅動程序，PC如何知道我是usb設備還有知道我是“xxx”呢，因為PC機里已經有“USB總線驅動程序” 看到總線兩字，就會聯想到我們之前寫驅動時的那些 “平台總線”之類的東西了，USB總線驅動程序能知道你是USB設備 再找出和你對應的驅動，如果沒有的話，會提示沒有找到對應的驅動，要你去下載或直接提示無法成功安裝。

　　二、USB設備總類很多，比如 USB鼠標呀，USB移動硬盤，USB網卡，等很多種類，為什么一接到PC就能識別出來是那種類型呢？因為USB是一套規范，對PC的USB總線驅動和USB設備都需要遵循這個規范，不然可就亂套了。例：USB接到PC后 PC的USB總線驅動會發出“你是什么”？那么USB設備就必須要回答“我是什么” 並且回答的格式必須要和USB總線的格式一樣的，這個格式就是“描述符”。

　　三、PC機上經常同時接有幾個或更多個USB設備，那如何分辨那個是那個呢？而且USB接口就四條線 5V、GND、D+、D-、？因為每個USB設備接入PC時，總線驅動會給它分配一個編號，當PC訪問USB設備時，發出的命令都帶有對應的編號。即然是這樣，那么當一個新的USB設備接入PC時 它還有沒編號，想給它分配編號，首先得識別它才可以向它發送分配編號的命令呀？因類新接入PC的USBy設備的編號黙認為0，總線驅動先使用0編號和他通信。

　　四、為什么USB設備一接上，PC就能發現有USB設備接上了呢？因為PC的USB口內部，D-和D+接有15K的下拉電阻，未接USB設備時為低電平USB設備的USB口內部，D-或D+接有1.5K的上拉電阻；它一接入PC，就會把PC USB口的D-或D+拉高，從硬件的角度通知PC有新設備接入

　　五、其他概念:

　　1. USB是主從結構的
所有的USB傳輸，都是從USB主機這方發起；USB設備沒有"主動"通知USB主機的能力。例子：USB鼠標滑動一下立刻產生數據，但是它沒有能力通知PC機來讀數據，只能被動地等得PC機來讀。

　　2. USB的傳輸類型:
　　　　a. 控制傳輸：可靠，時間有保證，比如：USB設備的識別過程
　　　　b. 批量傳輸: 可靠, 時間沒有保證, 比如：U盤
　　　　c. 中斷傳輸：可靠，實時，比如：USB鼠標
　　　　d. 實時傳輸：不可靠，實時，比如：USB攝像頭

　　3. USB傳輸的對象：端點(endpoint)
我們說"讀U盤"、"寫U盤"，可以細化為：把數據寫到U盤的端點1，從U盤的端點2里讀出數據除了端點0外，每一個端點只支持一個方向的數據傳輸端點0用於控制傳輸，既能輸出也能輸入

　　4. 每一個端點都有傳輸類型，傳輸方向

　　5. 術語里、程序里說的輸入(IN)、輸出(OUT) "都是" 基於USB主機的立場說的。比如鼠標的數據是從鼠標傳到PC機, 對應的端點稱為"輸入端點"

　　6. USB總線驅動程序的作用
　　　　a. 識別USB設備
　　　　b. 查找並安裝對應的設備驅動程序
　　　　c. 提供USB讀寫函數

USB驅動程序框架:

app:
-------------------------------------------
USB設備驅動程序 // 知道數據含義
內核 --------------------------------------
USB總線驅動程序 // 1. 識別, 2. 找到匹配的設備驅動, 3. 提供USB讀寫函數 (它不知道數據含義)
-------------------------------------------
USB主機控制器
UHCI OHCI EHCI
硬件 -----------
USB設備

UHCI: intel, 低速(1.5Mbps)/全速(12Mbps)
OHCI: microsoft 低速/全速
EHCI: 高速(480Mbps)

USB總線驅動程序的作用
　　1. 識別USB設備
　　1.1 分配地址
　　1.2 並告訴USB設備(set address)
　　1.3 發出命令獲取描述符
　　描述符的信息可以在include\linux\usb\Ch9.h看到

　　2. 查找並安裝對應的設備驅動程序

　　3. 提供USB讀寫函數

　　把USB設備接到開發板上，看輸出信息:
usb 1-1: new full speed USB device using s3c2410-ohci and address 2
usb 1-1: configuration #1 chosen from 1 choice
scsi0 : SCSI emulation for USB Mass Storage devices
scsi 0:0:0:0: Direct-Access HTC Android Phone 0100 PQ: 0 ANSI: 2
sd 0:0:0:0: [sda] Attached SCSI removable disk
拔掉
usb 1-1: USB disconnect, address 2

再接上:
usb 1-1: new full speed USB device using s3c2410-ohci and address 3
usb 1-1: configuration #1 chosen from 1 choice
scsi1 : SCSI emulation for USB Mass Storage devices
scsi 1:0:0:0: Direct-Access HTC Android Phone 0100 PQ: 0 ANSI: 2
sd 1:0:0:0: [sda] Attached SCSI removable disk

在內核目錄下搜:
grep "USB device using" * -nR
drivers/usb/core/hub.c:2186: "%s %s speed %sUSB device using %s and address %d\n",

hub_irq
kick_khubd
hub_thread
hub_events
hub_port_connect_change

udev = usb_alloc_dev(hdev, hdev->bus, port1);
dev->dev.bus = &usb_bus_type;

choose_devnum(udev); // 給新設備分配編號(地址)


hub_port_init // usb 1-1: new full speed USB device using s3c2410-ohci and address 3

hub_set_address // 把編號(地址)告訴USB設備

usb_get_device_descriptor(udev, 8); // 獲取設備描述符
retval = usb_get_device_descriptor(udev, USB_DT_DEVICE_SIZE);

usb_new_device(udev)
err = usb_get_configuration(udev); // 把所有的描述符都讀出來，並解析

usb_parse_configuration

device_add // 把device放入usb_bus_type的dev鏈表,
// 從usb_bus_type的driver鏈表里取出usb_driver，
// 把usb_interface和usb_driver的id_table比較
// 如果能匹配，調用usb_driver的probe

怎么寫USB設備驅動程序？

　　1. 分配/設置usb_driver結構體
　　　　.id_table
　　　　.probe
　　　　.disconnect
　　2. 注冊

 

參數 drivers/hid/usbhid/usbmouse.c 這個驅動來看一下 內核這個驅動怎么實現的 從入口函數開始

 

static void usb_mouse_disconnect(struct usb_interface *intf)
{
    struct usb_mouse *mouse = usb_get_intfdata (intf);

    usb_set_intfdata(intf, NULL);
    if (mouse) {
        usb_kill_urb(mouse->irq);
        input_unregister_device(mouse->dev);
        usb_free_urb(mouse->irq);
        usb_free_coherent(interface_to_usbdev(intf), 8, mouse->data, mouse->data_dma);
        kfree(mouse);
    }
}

static struct usb_device_id usb_mouse_id_table [] = {
    { USB_INTERFACE_INFO(USB_INTERFACE_CLASS_HID, USB_INTERFACE_SUBCLASS_BOOT,
        USB_INTERFACE_PROTOCOL_MOUSE) },
    { }    /* Terminating entry */
};

MODULE_DEVICE_TABLE (usb, usb_mouse_id_table);

static struct usb_driver usb_mouse_driver = {
    .name        = "usbmouse",
    .probe        = usb_mouse_probe,
    .disconnect    = usb_mouse_disconnect,
    .id_table    = usb_mouse_id_table,
};

module_usb_driver(usb_mouse_driver);

 

入口出口都用宏定義了，我們直接看 usb_mouse_probe 函數 前面有講過的。

static int usb_mouse_probe(struct usb_interface *intf, const struct usb_device_id *id)
{
    struct usb_device *dev = interface_to_usbdev(intf);
    struct usb_host_interface *interface;
    struct usb_endpoint_descriptor *endpoint;
    struct usb_mouse *mouse;
    struct input_dev *input_dev;
    int pipe, maxp;
    int error = -ENOMEM;

    interface = intf->cur_altsetting;

    if (interface->desc.bNumEndpoints != 1)
        return -ENODEV;

    endpoint = &interface->endpoint[0].desc;
    if (!usb_endpoint_is_int_in(endpoint))
        return -ENODEV;

    pipe = usb_rcvintpipe(dev, endpoint->bEndpointAddress);
    maxp = usb_maxpacket(dev, pipe, usb_pipeout(pipe));

    mouse = kzalloc(sizeof(struct usb_mouse), GFP_KERNEL);
    input_dev = input_allocate_device();
    if (!mouse || !input_dev)
        goto fail1;

    mouse->data = usb_alloc_coherent(dev, 8, GFP_ATOMIC, &mouse->data_dma);
    if (!mouse->data)
        goto fail1;

    mouse->irq = usb_alloc_urb(0, GFP_KERNEL);
    if (!mouse->irq)
        goto fail2;

    mouse->usbdev = dev;
    mouse->dev = input_dev;

    if (dev->manufacturer)
        strlcpy(mouse->name, dev->manufacturer, sizeof(mouse->name));

    if (dev->product) {
        if (dev->manufacturer)
            strlcat(mouse->name, " ", sizeof(mouse->name));
        strlcat(mouse->name, dev->product, sizeof(mouse->name));
    }

    if (!strlen(mouse->name))
        snprintf(mouse->name, sizeof(mouse->name),
             "USB HIDBP Mouse %04x:%04x",
             le16_to_cpu(dev->descriptor.idVendor),
             le16_to_cpu(dev->descriptor.idProduct));

    usb_make_path(dev, mouse->phys, sizeof(mouse->phys));
    strlcat(mouse->phys, "/input0", sizeof(mouse->phys));

    input_dev->name = mouse->name;
    input_dev->phys = mouse->phys;
    usb_to_input_id(dev, &input_dev->id);
    input_dev->dev.parent = &intf->dev;

    input_dev->evbit[0] = BIT_MASK(EV_KEY) | BIT_MASK(EV_REL);
    input_dev->keybit[BIT_WORD(BTN_MOUSE)] = BIT_MASK(BTN_LEFT) |
        BIT_MASK(BTN_RIGHT) | BIT_MASK(BTN_MIDDLE);
    input_dev->relbit[0] = BIT_MASK(REL_X) | BIT_MASK(REL_Y);
    input_dev->keybit[BIT_WORD(BTN_MOUSE)] |= BIT_MASK(BTN_SIDE) |
        BIT_MASK(BTN_EXTRA);
    input_dev->relbit[0] |= BIT_MASK(REL_WHEEL);

    input_set_drvdata(input_dev, mouse);

    input_dev->open = usb_mouse_open;
    input_dev->close = usb_mouse_close;

    usb_fill_int_urb(mouse->irq, dev, pipe, mouse->data,
             (maxp > 8 ? 8 : maxp),
             usb_mouse_irq, mouse, endpoint->bInterval);
    mouse->irq->transfer_dma = mouse->data_dma;
    mouse->irq->transfer_flags |= URB_NO_TRANSFER_DMA_MAP;

    error = input_register_device(mouse->dev);
    if (error)
        goto fail3;

    usb_set_intfdata(intf, mouse);
    return 0;

fail3:    
    usb_free_urb(mouse->irq);
fail2:    
    usb_free_coherent(dev, 8, mouse->data, mouse->data_dma);
fail1:    
    input_free_device(input_dev);
    kfree(mouse);
    return error;
}

input_dev = input_allocate_device(); 分配一個input_dev結構體 然后設置 產生那些事件等等 接着error = input_register_device(mouse->dev);注冊 

然后就輸入子系統的框架了，不同的是數據這里是通過usb包來傳輸的。

 

/*
 * 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 [] = {
    { USB_INTERFACE_INFO(USB_INTERFACE_CLASS_HID, USB_INTERFACE_SUBCLASS_BOOT,
        USB_INTERFACE_PROTOCOL_MOUSE) },
    //{USB_DEVICE(0x1234,0x5678)},
    { }    /* Terminating entry */
};

static void usbmouse_as_key_irq(struct urb *urb)
{
    static unsigned char pre_val;
#if 0    
    int i;
    static int cnt = 0;
    printk("data cnt %d: ", ++cnt);
    for (i = 0; i < len; i++)
    {
        printk("%02x ", usb_buf[i]);
    }
    printk("\n");
#endif
    /* USB鼠標數據含義
     * data[0]: bit0-左鍵, 1-按下, 0-松開
     *          bit1-右鍵, 1-按下, 0-松開
     *          bit2-中鍵, 1-按下, 0-松開 
     *
     */
    if ((pre_val & (1<<0)) != (usb_buf[0] & (1<<0)))
    {
        /* 左鍵發生了變化 */
        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)))
    {
        /* 右鍵發生了變化 */
        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)))
    {
        /* 中鍵發生了變化 */
        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);
    struct usb_host_interface *interface;
    struct usb_endpoint_descriptor *endpoint;
    int pipe;
    
    interface = intf->cur_altsetting;
    endpoint = &interface->endpoint[0].desc;

    /* a. 分配一個input_dev */
    uk_dev = input_allocate_device();
    
    /* b. 設置 */
    /* b.1 能產生哪類事件 */
    set_bit(EV_KEY, uk_dev->evbit);
    set_bit(EV_REP, uk_dev->evbit);
    
    /* b.2 能產生哪些事件 */
    set_bit(KEY_L, uk_dev->keybit);
    set_bit(KEY_S, uk_dev->keybit);
    set_bit(KEY_ENTER, uk_dev->keybit);
    
    /* c. 注冊 */
    input_register_device(uk_dev);
    
    /* d. 硬件相關操作 */
    /* 數據傳輸3要素: 源,目的,長度 */
    /* 源: USB設備的某個端點 */
    pipe = usb_rcvintpipe(dev, endpoint->bEndpointAddress);

    /* 長度: */
    len = endpoint->wMaxPacketSize;

    /* 目的: */
    usb_buf = usb_buffer_alloc(dev, len, GFP_ATOMIC, &usb_buf_phys);

    /* 使用"3要素" */
    /* 分配usb request block */
    uk_urb = usb_alloc_urb(0, GFP_KERNEL);
    /* 使用"3要素設置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);

    //printk("disconnect usbmouse!\n");
    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/設置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)
{
    /* 2. 注冊 */
    usb_register(&usbmouse_as_key_driver);
    return 0;
}

static void usbmouse_as_key_exit(void)
{
    usb_deregister(&usbmouse_as_key_driver);    
}

module_init(usbmouse_as_key_init);
module_exit(usbmouse_as_key_exit);

MODULE_LICENSE("GPL");

 

測試
1. make menuconfig去掉原來的USB鼠標驅動
-> Device Drivers
-> HID Devices
<> USB Human Interface Device (full HID) support

2. make uImage 並使用新的內核啟動

3. insmod usbmouse_as_key.ko
4. ls /dev/event*
5. 接上USB鼠標
6. ls /dev/event*
7. 操作鼠標觀察數據

8. cat /dev/tty1 然后按鼠標鍵
9. hexdump /dev/event0