Linux下USB内核之学习笔记

 Linux下USB内核之学习笔记

Linux下USB子系统软件结构为

USB 内核（USB驱动，USBD ）处于系统的中心，对于它进行研究是能够进行USB驱动开发（包括客户驱动和主机驱动）的第一步。它为客户端驱动和主机控制器驱动提供了主要数据结构和接 口函数，主要有四类功能：客户端驱动管理，USB设备的配置和管理，主机控制器的管理，协议控制命令集和数据传输的管理。具体代码主要集中在 linux/drivers/usb下的usb.c, usb.h中

主要数据结构分析

主要有四个数据结构，分别是USB设备usb_device，保存了一个USB设备的信息，包括设备地址，设备描述符，配置描述符，等等

USB总线系统usb_bus，保存了一个USB总线系统的信息，包括总线上设备地址信息，根集线器，带宽使用情况等。一个USB总线系统肯定有一个主机控制器和一个根集线器。Linux支持多USB总线系统

客户端驱动程序usb_driver，保存了客户驱动信息，包括驱动名称，以及驱动提供给USB内核使用的函数指针等

（USB Request Block）urb，是进行USB通信的数据结构。Linux的USB子系统只使用这么一种数据结构来进行USB通信，urb包含了建立任何 USB传输所需的所有信息，并贯穿于USB协议栈对数据处理的整个过程。

下面是对各部分进行详细分析。
struct usb_device {            //代表一个USB设备 
      int devnum;              //分配的设备地址，1-127 
      enum { 
              USB_SPEED_UNKNOWN = 0,               /* enumerating */ 
              USB_SPEED_LOW, USB_SPEED_FULL,              /* usb 1.1 */ 
              USB_SPEED_HIGH                       /* usb 2.0 */ 
       } speed;                       //设备速度，低速/全速/高速 

       struct usb_device *tt;              /* usb1.1 device on usb2.0 bus */，事务处理解释器
       int ttport;               /* device/hub port on that tt */设备所连接的具有事务处理解释器功能的集线器端口 
       atomic_t refcnt;            /* Reference count */引用计数 
       struct semaphore serialize; //用于同步 
       unsigned int toggle[2];              /* one bit for each endpoint ([0] = IN, [1] = OUT) */用于同步切换的位图，每个端点占用1位，[0]表示输入，[1]输出 
       unsigned int halted[2];        /* endpoint halts; one bit per endpoint # & direction;  [0] = IN, [1] = OUT */表示端点是否处于停止状态的位图 
       int epmaxpacketin[16];          /* INput endpoint specific maximums */输入端点的最大包长 
       int epmaxpacketout[16];              /* OUTput endpoint specific maximums */输出端点的最大包长 
       struct usb_device *parent;   //表示设备所连的上游集线器指针 
       struct usb_bus *bus;        /* Bus we‘re part of */设备所属的USB总线系统 
       struct usb_device_descriptor descriptor;/* Descriptor */ 设备描述符 
       struct usb_config_descriptor *config; /* All of the configs */指向设备的配置描述符和其所包含的接口描述符，端点描述符的指针 
       struct usb_config_descriptor *actconfig;/* the active configuration */当前的配置描述符指针 
       char **rawdescriptors;            /* Raw descriptors for each config */ 
       int have_langid;           /* whether string_langid is valid yet *// 是否有string_langid 
       int string_langid;         /* language ID for strings */和字符描述符相关的语言ID 
      void *hcpriv;                /* Host Controller private data */设备在HCD层占用的资源指针，对USB内核层是透明的  

    /* usbdevfs inode list */ 设备在usbdevfs中的inode列表 
       struct list_head inodes; 
       struct list_head filelist; 
       /* 

        * Child devices - these can be either new devices 
        * (if this is a hub device), or different instances 
        * of this same device. 
        * 
        * Each instance needs its own set of data structures. 
        */只对当前设备是集线器的情况有效 
      int maxchild;                     /* Number of ports if hub */ hub的下游端口数 
       struct usb_device *children[USB_MAXCHILDREN]; hub所连设备指针

};

struct usb_bus { //USB总线系统 

       int busnum;                     /* Bus number (in order of reg) */当前总线系统的序列号，Linux支持多总线系统并为它们编号
#ifdef DEVNUM_ROUND_ROBIN 
       int devnum_next;     /* Next open device number in round-robin allocation */
#endif /* DEVNUM_ROUND_ROBIN */给连接到子系统上的设备分配设备号的数据结构 
       struct usb_devmap devmap;       /* Device map */给连接到子系统上的设备分配设备号的数据结构     
       struct usb_operations *op;      /* Operations (specific to the HC) */HCD为USB内核提供的一系统函数集指针

       struct usb_device *root_hub;    /* Root hub */指向根Hub的指针

       struct list_head bus_list;       双向链表指针，USB内核用一个双向链表来维护系统中所有USB总线系统

       void *hcpriv; /* Host Controller private data */与主机控制器相关数据，对USB内核层是透明

       int bandwidth_allocated;       /* on this Host Controller; applies to Int. and Isoc. pipes; measured in microseconds/frame; range is 0..900, where 900 = 90% of a 1-millisecond frame */当前子系统的带宽使用情况，单位是毫秒/帧，取值范围[0,900]

       int bandwidth_int_reqs;        /* number of Interrupt requesters */子系统中当前的中断传输的数量

       int bandwidth_isoc_reqs;       /* number of Isoc. requesters */子系统中当前的实时传输的数量

       /* usbdevfs inode list */ 在usbdevfs中的inode列表       struct list_head inodes;

       atomic_t refcnt;

};

struct usb_driver { //客户端驱动程序为USB内核提供的调用接口

       const char *name;    //客户端驱动程序的字符串名称，用于避免重复安装和卸载

       void *(*probe)(//给USB内核提供的函数，用于判断驱动程序是否能对设备的某个接口进行驱动，如能则分配资源

           struct usb_device *dev,              /* the device */

           unsigned intf,                /* what interface */

           const struct usb_device_id *id   /* from id_table */

           );

       void (*disconnect)(struct usb_device *, void *);//给USB内核提供的函数，用于释放设备的某个接口所占用的资源

       struct list_head driver_list;//对应的双向指针，USB内核通过一个双向指针链表维护USB子系统中所用的客户端驱动程序

       struct file_operations *fops;

       int minor; 驱动的次版本号

       struct semaphore serialize;

       /* ioctl -- userspace apps can talk to drivers through usbdevfs */

       int (*ioctl)(struct usb_device *dev, unsigned int code, void *buf);

       /* support for "new-style" USB hotplugging

        * binding policy can be driven from user mode too

        */

       const struct usb_device_id *id_table;

       /* suspend before the bus suspends;

        * disconnect or resume when the bus resumes */

       // void (*suspend)(struct usb_device *dev);

       // void (*resume)(struct usb_device *dev);

};

typedef struct urb //USB Request Block，包含了建立任何 USB传输所需的所有信息，并贯穿于USB协议栈对数据处理的整个过程

{

       spinlock_t lock;              // lock for the URB

       void *hcpriv;                // private data for host controller与主机控制器相关数据，对USB内核层是透明

       struct list_head urb_list;       // list pointer to all active urbs双向指针，用于将此URB连接到处于活动的URB双向链表中

       struct urb *next;            // pointer to next URB 指向下一个URB的指针

       struct usb_device *dev;       // pointer to associated USB device 接受此URB的USB设备指针

       unsigned int pipe;// pipe information表示设备的某个端点和客户端驱动程序之间的管道

       int status;                     // returned status 返回状态

       unsigned int transfer_flags;       // USB_DISABLE_SPD | USB_ISO_ASAP | etc.

              USB_DISABLE_SPD   //拒绝短数据包，即比最大传输包长度小的数据包

USB_ISO_ASAP     //用于实时传输，告诉主机控制器立即进行此请求的数据传输。如果没有置位，则需要给start_frame赋值，用来通知主机控制器该在哪个帧上开始此请求的数据传输

USB_ASYNC_UNLINK  //告诉USBD采用异步方式取消请求

USB_QUEUE_BULK    //表示批量请求可以排队，一般一个设备的批量请求端点只有一个URB

USB_NO_FSBR       //表示全速传输站用的带宽不要回收

USB_ZERO_PACKET //表示批量传输的数据长度等于端点的包最大长度时，主机控制器在发送完数据后，再发送一个零长度的包表示数据结束

USB_TIMEOUT_KILLED //本位只被HCD设置，表示发生了超时。客户驱动可以给URB的处理设置一个超时时间，如果处理超时，则要求USBD结束对此URB的处理，URB的返回信息中会反映该此状态。

       void *transfer_buffer;            // associated data buffer传输数据缓存区指针，接收或发送设备的数据，它必须是物理连续的，不可换页的内存块，用kmalloc（，GFP_KERNEL）分配

       int transfer_buffer_length;     // data buffer length缓存区长度

       int actual_length;      // actual data buffer length 实际数据长度    

       int bandwidth;                   // bandwidth for this transfer request (INT or ISO) 此请求每次占用一帧的带宽，只适用实时/中断传输

       unsigned char *setup_packet;       // setup packet (control only) 用于指向控制传输中控制命令的指针，只适用控制传输

       int start_frame;    // start frame (iso/irq only)此请求所开始传输的帧号，只适用实时/中断传输。中断传输时，表示返回启动此请求的第一次中断传输的帧号。实时传输时，指明处理第一个实时请求 数据报包的帧号，如果设置了USB_ISO_ASAP，此变量表示返回启动第一次实时传输的帧号。

       int number_of_packets;  // number of packets in this request (iso)此请求所包含的数据包数，只适合实时传输

       int interval; // polling interval (irq only) 中断传输的周期，1〈= interval〈=255 
       int error_count;   // number of errors in this transfer (iso only)发生传输错误次数的累加值，只适用实时传输 
       int timeout;       // timeout (in jiffies)      

      void *context;               // context for completion routine回调函数中的参数

      usb_complete_t complete;       // pointer to completion routine 指向回调函数的指针。当数据传输完成后，主机控制器驱动会回调该函数。

       iso_packet_descriptor_t iso_frame_desc[0]; 要进行实时传输的结构数组，每个结构表示一次数据传输

} urb_t, *purb_t;