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分类: LINUX

2013-05-17 17:25:18

内核使用2.6.29.4
USB设备其实很复杂,但是Linux内核提供了一个称为USB core的子系统来处理了大部分的复杂工作,所以这里所描述的是驱动程序和USB core之间的接口。

在USB设备组织结构中,从上到下分为设备(device)、配置(config)、接口(interface)和端点(endpoint)四个层次。
对于这四个层次的简单描述如下:
    设备通常具有一个或多个的配置
    配置经常具有一个或多个的接口
    接口通常具有一个或多个的设置
    接口没有或具有一个以上的端点


设备
  很明显,地代表了一个插入的USB设备,在内核使用数据结构 struct usb_device来描述整个USB设备。(include/linux/usb.h)

  struct usb_device {
   int devnum;
//设备号,是在USB总线的地址
   char devpath [16];
//用于消息的设备ID字符串
   enum usb_device_state state;
//设备状态:已配置、未连接等等
   enum usb_device_speed speed;
//设备速度:高速、全速、低速或错误
  
   struct usb_tt *tt;
//处理传输者信息;用于低速、全速设备和高速HUB
   int ttport;
//位于tt HUB的设备口
  
   unsigned int toggle[2];
//每个端点的占一位,表明端点的方向([0] = IN, [1] = OUT)  
   struct usb_device *parent;
//上一级HUB指针
   struct usb_bus *bus;
//总线指针
   struct usb_host_endpoint ep0;
//端点0数据

   struct device dev;
//一般的设备接口数据结构
 
   struct usb_device_descriptor descriptor;
//USB设备描述符
   struct usb_host_config *config;
//设备的所有配置

   struct usb_host_config *actconfig;
//被激活的设备配置
   struct usb_host_endpoint *ep_in[16];
//输入端点数组
   struct usb_host_endpoint *ep_out[16];
//输出端点数组
  
   char **rawdescriptors;
//每个配置的raw描述符
  
   unsigned short bus_mA;
//可使用的总线电流


   u8 portnum;
//父端口号
   u8 level;
//USB HUB的层数
  
   unsigned can_submit:1;
//URB可被提交标志
   unsigned discon_suspended:1;
//暂停时断开标志
   unsigned persist_enabled:1;
//USB_PERSIST使能标志
   unsigned have_langid:1;
//string_langid存在标志
   unsigned authorized:1;
   unsigned authenticated:1;
   unsigned wusb:1;
//无线USB标志

   int string_langid;
//字符串语言ID

  
   /* static strings from the device */
//设备的静态字符串
   char *product;
//产品名
   char *manufacturer;
//厂商名
   char *serial;
//产品串号
  
   struct list_head filelist;
//此设备打开的usbfs文件

  #ifdef CONFIG_USB_DEVICE_CLASS
   struct device *usb_classdev;
//用户空间访问的为usbfs设备创建的USB类设备
  #endif
  #ifdef CONFIG_USB_DEVICEFS
   struct dentry *usbfs_dentry;
//设备的usbfs入口
  #endif
  
   int maxchild;
//(若为HUB)接口数
   struct usb_device *children[USB_MAXCHILDREN];//连接在这个HUB上的子设备
   int pm_usage_cnt;
//自动挂起的使用计数
   u32 quirks;

   atomic_t urbnum;
//这个设备所提交的URB计数
  
   unsigned long active_duration; //激活后使用计时

  #ifdef CONFIG_PM //电源管理相关
   struct delayed_work autosuspend;
//自动挂起的延时
   struct work_struct autoresume;
//(中断的)自动唤醒需求
   struct mutex pm_mutex;
//PM的互斥锁 

 
   unsigned long last_busy;
//最后使用的时间
   int autosuspend_delay;
   unsigned long connect_time;
//第一次连接的时间
  
   unsigned auto_pm:1;
//自动挂起/唤醒
   unsigned do_remote_wakeup:1;
//远程唤醒
   unsigned reset_resume:1;
//使用复位替代唤醒
   unsigned autosuspend_disabled:1;
//挂起关闭
   unsigned autoresume_disabled:1;
//唤醒关闭
   unsigned skip_sys_resume:1;
//跳过下个系统唤醒
  #endif
   struct wusb_dev *wusb_dev;
//(如果为无线USB)连接到WUSB特定的数据结构

  };



配置
    一个USB设备可以有多个配置,并可在它们之间转换以改变设备的状态。比如一个设备可以通过下载固件(firmware)的方式改变设备的使用状态(我感觉类似FPGA或CPLD),那么USB设备就要切换配置,来完成这个工作。一个时刻只能有一个配置可以被激活。Linux使用结构 struct usb_host_config 来描述USB配置。我们编写的USB设备驱动通常不需要读写这些结构的任何值。可在内核源码的文件include/linux/usb.h中找到对它们的描述。

struct usb_host_config {
    struct usb_config_descriptor desc;
//配置描述符

    char *string; /* 配置的字符串指针(如果存在) */
    struct usb_interface_assoc_descriptor *intf_assoc[USB_MAXIADS];
//配置的接口联合描述符链表
    struct usb_interface *interface[USB_MAXINTERFACES];
//接口描述符链表
    struct usb_interface_cache *intf_cache[USB_MAXINTERFACES]; 
    unsigned char *extra; /* 额外的描述符 */
    int extralen;
};



接口
USB端点被绑为接口,USB接口只处理一种USB逻辑连接。一个USB接口代表一个基本功能,每个USB驱动控制一个接口。所以一个物理上的硬件设备可能需要一个以上的驱动程序。这可以在“晕到死 差屁”系统中看出,有时插入一个USB设备后,系统会识别出多个设备,并安装相应多个的驱动。
USB 接口可以有其他的设置,它是对接口参数的不同选择. 接口的初始化的状态是第一个设置,编号为0。 其他的设置可以以不同方式控制独立的端点。

USB接口在内核中使用 struct usb_interface 来描述。USB 核心将其传递给USB驱动,并由USB驱动负责后续的控制。

struct usb_interface {
    struct usb_host_interface *altsetting; /* 包含所有可用于该接口的可选设置的接口结构数组。每个 struct usb_host_interface 包含一套端点配置(即struct usb_host_endpoint结构所定义的端点配置。这些接口结构没有特别的顺序。*/

    struct usb_host_interface *cur_altsetting; /* 指向altsetting内部的指针,表示当前激活的接口配置*/
    unsigned num_altsetting; /* 可选设置的数量*/

    /* If there is an interface association descriptor then it will list the associated interfaces */
    struct usb_interface_assoc_descriptor *intf_assoc;

    int minor; /* 如果绑定到这个接口的 USB 驱动使用 USB 主设备号, 这个变量包含由 USB 核心分配给接口的次设备号. 这只在一个成功的调用 usb_register_dev后才有效。*/
    /*以下的数据在我们写的驱动中基本不用考虑,系统会自动设置*/
    enum usb_interface_condition condition; /* state of binding */
    unsigned is_active:1; /* the interface is not suspended */
    unsigned sysfs_files_created:1; /* the sysfs attributes exist */
    unsigned ep_devs_created:1; /* endpoint "devices" exist */
    unsigned unregistering:1; /* unregistration is in progress */
    unsigned needs_remote_wakeup:1; /* driver requires remote wakeup */
    unsigned needs_altsetting0:1; /* switch to altsetting 0 is pending */
    unsigned needs_binding:1; /* needs delayed unbind/rebind */
    unsigned reset_running:1;

    struct device dev; /* 接口特定的设备信息 */
    struct device *usb_dev;
    int pm_usage_cnt; /* usage counter for autosuspend */
    struct work_struct reset_ws; /* for resets in atomic context */
};

struct usb_host_interface {
    struct usb_interface_descriptor desc; //接口描述符

    struct usb_host_endpoint *endpoint; /* 这个接口的所有端点结构体的联合数组*/
    char *string; /* 接口描述字符串 */
    unsigned char *extra; /* 额外的描述符 */
    int extralen;
};




端点
USB 通讯的最基本形式是通过一个称为端点的东西。一个USB端点只能向一个方向传输数据(从主机到设备(称为输出端点)或者从设备到主机(称为输入端点))。端点可被看作一个单向的管道。

一个 USB 端点有 4 种不同类型, 分别具有不同的数据传送方式:

控制CONTROL
控制端点被用来控制对 USB 设备的不同部分访问. 通常用作配置设备、获取设备信息、发送命令到设备或获取设备状态报告。这些端点通常较小。每个 USB 设备都有一个控制端点称为"端点 0", 被 USB 核心用来在插入时配置设备。USB协议保证总有足够的带宽留给控制端点传送数据到设备.

中断INTERRUPT
每当 USB 主机向设备请求数据时,中断端点以固定的速率传送小量的数据。此为USB 键盘和鼠标的主要的数据传送方法。它还用以传送数据到 USB 设备来控制设备。通常不用来传送大量数据。USB协议保证总有足够的带宽留给中断端点传送数据到设备.

批量BULK
批量端点用以传送大量数据。这些端点常比中断端点大得多. 它们普遍用于不能有任何数据丢失的数据。USB 协议不保证传输在特定时间范围内完成。如果总线上没有足够的空间来发送整个BULK包,它被分为多个包进行传输。这些端点普遍用于打印机、USB Mass Storage和USB网络设备上。

等时ISOCHRONOUS
等时端点也批量传送大量数据, 但是这个数据不被保证能送达。这些端点用在可以处理数据丢失的设备中,并且更多依赖于保持持续的数据流。如音频和视频设备等等。

控制和批量端点用于异步数据传送,而中断和同步端点是周期性的。这意味着这些端点被设置来在固定的时间连续传送数据,USB 核心为它们保留了相应的带宽。

端点在内核中使用结构 struct usb_host_endpoint 来描述,它所包含的真实端点信息在另一个结构中:struct usb_endpoint_descriptor(端点描述符,包含所有的USB特定数据)。

struct usb_host_endpoint {
    struct usb_endpoint_descriptor desc; //端点描述符
    struct list_head urb_list; //此端点的URB对列,由USB核心维护
    void *hcpriv;
    struct ep_device *ep_dev; /* For sysfs info */
    unsigned char *extra; /* Extra descriptors */
    int extralen;
    int enabled;
};

/*-------------------------------------------------------------------------*/

/* USB_DT_ENDPOINT: Endpoint descriptor */
struct usb_endpoint_descriptor {
    __u8 bLength;
    __u8 bDescriptorType;

    __u8 bEndpointAddress; /*这个特定端点的 USB 地址,这个8位数据包含端点的方向,结合位掩码 USB_DIR_OUT 和 USB_DIR_IN 使用, 确定这个端点的数据方向。*/

    __u8 bmAttributes;
//这是端点的类型,位掩码如下

    __le16 wMaxPacketSize; /*端点可以一次处理的最大字节数。驱动可以发送比这个值大的数据量到端点, 但是当真正传送到设备时,数据会被分为 wMaxPakcetSize 大小的块。对于高速设备, 通过使用高位部分几个额外位,可用来支持端点的高带宽模式。*/
    __u8 bInterval; //如果端点是中断类型,该值是端点的间隔设置,即端点的中断请求间的间隔时间,以毫秒为单位

    /* NOTE: these two are _only_ in audio endpoints. */
    /* use USB_DT_ENDPOINT*_SIZE in bLength, not sizeof. */
    __u8 bRefresh;
    __u8 bSynchAddress;
} __attribute__ ((packed));

#define USB_DT_ENDPOINT_SIZE 7
#define USB_DT_ENDPOINT_AUDIO_SIZE 9 /* Audio extension */

/*
 * Endpoints
 */

#define USB_ENDPOINT_NUMBER_MASK 0x0f /* in bEndpointAddress 端点的 USB 地址掩码 */
#define USB_ENDPOINT_DIR_MASK 0x80 /* in bEndpointAddress 数据方向掩码 */

#define USB_DIR_OUT 0 /* to device */
#define USB_DIR_IN 0x80 /* to host */

#define USB_ENDPOINT_XFERTYPE_MASK 0x03 /* bmAttributes 的位掩码*/
#define USB_ENDPOINT_XFER_CONTROL 0
#define USB_ENDPOINT_XFER_ISOC 1
#define USB_ENDPOINT_XFER_BULK 2
#define USB_ENDPOINT_XFER_INT 3
#define USB_ENDPOINT_MAX_ADJUSTABLE 0x80
/*-------------------------------------------------------------------------*/



USB 和 sysfs
由于单个 USB 物理设备的复杂性,设备在 sysfs 中的表示也非常复杂。物理 USB 设备(通过 struct usb_device 表示)和单个 USB 接口(由 struct usb_interface 表示)都作为单个设备出现在 sysfs 中,这是因为这两个结构都包含一个 struct device结构。以下内容是我的USB鼠标在 sysfs 中的目录树:    

/sys/devices/pci0000:00/0000:00:1a.0/usb3/3-1 表示 usb_device 结构)
.
|-- 3-1:1.0 (鼠标所对应的usb_interface)
| |-- 0003:046D:C018.0003
| | |-- driver -> ../../../../../../../bus/hid/drivers/generic-usb
| | |-- power
| | | `-- wakeup
| | |-- subsystem -> ../../../../../../../bus/hid
| | `-- uevent
| |-- bAlternateSetting
| |-- bInterfaceClass
| |-- bInterfaceNumber
| |-- bInterfaceProtocol
| |-- bInterfaceSubClass
| |-- bNumEndpoints
| |-- driver -> ../../../../../../bus/usb/drivers/usbhid
| |-- ep_81 -> usb_endpoint/usbdev3.4_ep81
| |-- input
| | `-- input6
| | |-- capabilities
| | | |-- abs
| | | |-- ev
| | | |-- ff
| | | |-- key
| | | |-- led
| | | |-- msc
| | | |-- rel
| | | |-- snd
| | | `-- sw
| | |-- device -> ../../../3-1:1.0
| | |-- event3
| | | |-- dev
| | | |-- device -> ../../input6
| | | |-- power
| | | | `-- wakeup
| | | |-- subsystem -> ../../../../../../../../../class/input
| | | `-- uevent
| | |-- id
| | | |-- bustype
| | | |-- product
| | | |-- vendor
| | | `-- version
| | |-- modalias
| | |-- mouse1
| | | |-- dev
| | | |-- device -> ../../input6
| | | |-- power
| | | | `-- wakeup
| | | |-- subsystem -> ../../../../../../../../../class/input
| | | `-- uevent
| | |-- name
| | |-- phys
| | |-- power
| | | `-- wakeup
| | |-- subsystem -> ../../../../../../../../class/input
| | |-- uevent
| | `-- uniq
| |-- modalias
| |-- power
| | `-- wakeup
| |-- subsystem -> ../../../../../../bus/usb
| |-- supports_autosuspend
| |-- uevent
| `-- usb_endpoint
| `-- usbdev3.4_ep81
| |-- bEndpointAddress
| |-- bInterval
| |-- bLength
| |-- bmAttributes
| |-- dev
| |-- device -> ../../../3-1:1.0
| |-- direction
| |-- interval
| |-- power
| | `-- wakeup
| |-- subsystem -> ../../../../../../../../class/usb_endpoint
| |-- type
| |-- uevent
| `-- wMaxPacketSize
|-- authorized
|-- bConfigurationValue
|-- bDeviceClass
|-- bDeviceProtocol
|-- bDeviceSubClass
|-- bMaxPacketSize0
|-- bMaxPower
|-- bNumConfigurations
|-- bNumInterfaces
|-- bcdDevice
|-- bmAttributes
|-- busnum
|-- configuration
|-- descriptors
|-- dev
|-- devnum
|-- driver -> ../../../../../bus/usb/drivers/usb
|-- ep_00 -> usb_endpoint/usbdev3.4_ep00
|-- idProduct
|-- idVendor
|-- manufacturer
|-- maxchild
|-- power
| |-- active_duration
| |-- autosuspend
| |-- connected_duration
| |-- level
| |-- persist
| `-- wakeup
|-- product
|-- quirks
|-- speed
|-- subsystem -> ../../../../../bus/usb
|-- uevent
|-- urbnum
|-- usb_endpoint
| `-- usbdev3.4_ep00
| |-- bEndpointAddress
| |-- bInterval
| |-- bLength
| |-- bmAttributes
| |-- dev
| |-- device -> ../../../3-1
| |-- direction
| |-- interval
| |-- power
| | `-- wakeup
| |-- subsystem -> ../../../../../../../class/usb_endpoint
| |-- type
| |-- uevent
| `-- wMaxPacketSize
`-- version

38 directories, 91 files


    USB sysfs 设备命名方法是: root_hub-hub_port:config.interface
    随着USB集线器层次的增加, 集线器端口号被添加到字符串中紧随着链中之前的集线器端口号。对一个 2 层的树, 设备为: root_hub-hub_port-hub_port:config.interface ,以此类推。
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