深度剖析USB設備端驅(qū)動框架

hello 大家好，今天帶領(lǐng)大家學習一下USB設備端驅(qū)動

內(nèi)核版本：4.4.94

1. Linux USB 子系統(tǒng)在介紹設備端驅(qū)動前，我們先來看看 Linux USB子系統(tǒng)。這里的子系統(tǒng)是相對于整個Linux kernel 來說的，而非單一設備。從整體概括了USB主機端和設備端的通信框架。

Linux kernel 中早已集成了較為完善的USB協(xié)議棧，由于其規(guī)模龐大，包含多個類別的設備驅(qū)動，所以Linux系統(tǒng)中的USB協(xié)議棧也被稱為USB子系統(tǒng)。

1.1 主機端

主機端，簡化抽象三層：

各種類設備驅(qū)動：mass sotrage， CDC， HID等

USB 設備驅(qū)動：USB 核心處理

主機控制器驅(qū)動：不同的USB主機控制器（OHCI/EHCI/UHCI），抽象為HDC。

1.2 設備端

設備端，也抽象為三層：

設備功能驅(qū)動：mass sotage ， CDC， HID 等，對應主機端的類設備驅(qū)動

Gadget 設備驅(qū)動：中間層，向下直接和UDC通信，建立鏈接；向上提供通用接口，屏蔽USB請求以及傳輸細節(jié)。

設備控制器驅(qū)動：UDC驅(qū)動，直接處理USB設備控制器。

2. USB 設備驅(qū)動2.1 gadget 驅(qū)動框架拆解1

我們將USB 設備端驅(qū)動拆解一下。

上文提到，Gadget 設備層起著至關(guān)重要的作用。為上層提供通用的驅(qū)動框架，與下層UDC通過Gadget Interface 建立聯(lián)系。

其中Compsite Framwork 提供了一個通用的usb_gadget_driver 模板，包括各種方法供上層Function driver 使用。（driver/usb/gadget/compsite.c）

從上圖我們可以看出，對于USB設備端驅(qū)動開發(fā)而言，更多的關(guān)注的是Function driver這層。USB 控制相關(guān)過程，內(nèi)核提供了一個中間層幫我們屏蔽掉了。

2.2 gadget 驅(qū)動框架拆解2

內(nèi)核版本：Linux Kernel 4.4.94，我們以這個版本進行拆解分析

4.x 的內(nèi)核相對于3.x的內(nèi)核在gadget 驅(qū)動上分解的更加完善，顯得目錄結(jié)構(gòu)，層次分明，分工合理，更便于理解。

相對于3.x 的版本，4.4.94這個內(nèi)核，將原來的、driver/usb/gadget目錄進行拆分。通用接口保持不變，比如compsite.c以及functions.c。將usb function driver 進行細分，分為legacy和functions。

有了這些背景，我們再看4.4.94這版內(nèi)核，gadget驅(qū)動框架。

legacy：整個Gadget 設備驅(qū)動的入口。位于driver/usb/gadget/legacy下，里面給出了常用的usb類設備的驅(qū)動sample。其作用就是配置USB設備描述符信息，提供一個usb_composite_driver， 然后注冊到composite層。

functions：各種usb 子類設備功能驅(qū)動。位于driver/usb/gadget/functions，里面也給出了對應的sample。其作用是配置USB子類協(xié)議的接口描述以及其他子類協(xié)議，比如uvc協(xié)議，hid等。

注意：對于一個compsite 設備一個有一個或者多個function，對應的也就有多個functions driver

從這張圖上，有沒有發(fā)現(xiàn)，設備端驅(qū)動開發(fā)似乎越來越簡單了。沒錯，事實上，我們只需要根據(jù)legacy的源碼，添加對應的usb設備描述符信息，以及其他若干配置即可。

換言之，我們只需要關(guān)心 legacy 這一丟丟就行，對于functions這層會根據(jù)業(yè)務需要略微調(diào)整，不過整體變動不大。

usb 驅(qū)動框架之所以復雜，除了需要研究各種復雜的協(xié)議，還融合了各種驅(qū)動，對于初學者來說，理解起來有點困難。事實上，光是legacy這里也包含其他驅(qū)動，比如webcam里有大名鼎鼎的 v4l2 驅(qū)動框架。

所以當我學習USB驅(qū)動框架的時候，一定要抓大放小，【把握主要脈絡，忽略細節(jié)】。當我們把一個復雜的驅(qū)動逐一拆解的話，其實發(fā)現(xiàn)，就沒有那么可怕了。

2.3 usb compsite 設備構(gòu)建

為了便于理解，我們來簡單了解一個usb compsite 設備的構(gòu)建過程：

假設構(gòu)建一個usb 復合設備，需要支持uac， uac， hid 三個功能其驅(qū)動框架。

首先，我們需要一個驅(qū)動入口 legacy，用來配置設備描述信息，支持的協(xié)議等

然后添加一個配置支持多種接口，這里支持uvc uac hid， 每個接口對應一個functions driver

最后我們把它注冊到compsite 層

對于functions driver 有個usb function driver list，在內(nèi)核注冊function driver 時會自動添加到一個鏈表上。functions.c 就是用來管理所有的function drivers

3. USB gadget 驅(qū)動剖析3.1 相關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

在梳理整個框架前我們先梳理一下幾個重要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，從下到上依次介紹：

usb_udc：

udc 使用，內(nèi)嵌usb_gadget_driver 和 usb_gadget

struct usb_udc {

struct usb_gadget_driver *driver;

struct usb_gadget *gadget;

struct device dev;

struct list_head list;

bool vbus;

};

usb gadget：

usb 底層操作，包括udc，端點請求等。

struct usb_gadget {

struct work_struct work; /* 工作隊列 */

struct usb_udc *udc; /* udc */

/* readonly to gadget driver */

const struct usb_gadget_ops *ops; /*gadget 設備操作函數(shù)集*/

struct usb_ep *ep0; /* 控制端點，只對setup包響應*/

struct list_head ep_list; /* 將設備的所有端點連成鏈表，ep0不在其中 */

enum usb_device_speed speed; /* 高速、全速和低速 */

enum usb_device_speed max_speed; /* 最大速度 */

enum usb_device_state state;

const char *name;

struct device dev;

unsigned out_epnum; /* out ep number */

unsigned in_epnum; /* in ep number */

struct usb_otg_caps *otg_caps;

unsigned sg_supported:1;

unsigned is_otg:1;

unsigned is_a_peripheral:1;

unsigned b_hnp_enable:1;

unsigned a_hnp_support:1;

unsigned a_alt_hnp_support:1;

unsigned quirk_ep_out_aligned_size:1;

unsigned quirk_altset_not_supp:1;

unsigned quirk_stall_not_supp:1;

unsigned quirk_zlp_not_supp:1;

unsigned is_selfpowered:1;

unsigned deactivated:1;

unsigned connected:1;

};

usb_gadget_driver：

usb_gadget_driver - driver for usb ‘slave’ devices. usb 從設備驅(qū)動通用結(jié)構(gòu)。

作用：提供一個通用的usb gadget driver 模板，向下注冊到udc，向上給functions driver提供bind 回調(diào)等。

關(guān)注：bind 回調(diào)、function 驅(qū)動名、setup 處理請求

struct usb_gadget_driver {

char *function; /* String describing the gadget‘s function */

enum usb_device_speed max_speed; /* Highest speed the driver handles */

int （*bind）（struct usb_gadget *gadget， /* the driver’s bind callback */

struct usb_gadget_driver *driver）;

void （*unbind）（struct usb_gadget *）;

int （*setup）（struct usb_gadget *， /* 處理ep0 request */

const struct usb_ctrlrequest *）;

void （*disconnect）（struct usb_gadget *）;

void （*suspend）（struct usb_gadget *）;

void （*resume）（struct usb_gadget *）;

void （*reset）（struct usb_gadget *）;

/* FIXME support safe rmmod */

struct device_driver driver;

};

usb_composite_driver：

usb_composite_driver ，設備驅(qū)動的入口，用來管理設備配置信息，保存設備描述符。

重點：關(guān)注 bind 方法。

struct usb_composite_driver {

const char *name; /* 驅(qū)動名字 */

const struct usb_device_descriptor *dev ; /* 設備描述符 */

struct usb_gadget_strings **strings;

enum usb_device_speed max_speed;

unsigned needs_serial:1;

int （*bind）（struct usb_composite_dev *cdev）; /* bind 方法 */

int （*unbind）（struct usb_composite_dev *）;

void （*disconnect）（struct usb_composite_dev *）;

/* global suspend hooks */

void （*suspend）（struct usb_composite_dev *）;

void （*resume）（struct usb_composite_dev *）;

struct usb_gadget_driver gadget_driver; /* usb gadget driver */

};

usb_composite_dev：

內(nèi)嵌gadget對象，以及usb 設備的一些配置和請求，主要用于初始化。

struct usb_composite_dev {

struct usb_gadget *gadget;

struct usb_request *req;

struct usb_request *os_desc_req;

struct usb_configuration *config; /* usb 配置信息 */

/* OS String is a custom （yet popular） extension to the USB standard. */

u8 qw_sign［OS_STRING_QW_SIGN_LEN］;

u8 b_vendor_code;

struct usb_configuration *os_desc_config;

unsigned int use_os_string:1;

/* private： */

/* internals */

unsigned int suspended:1;

struct usb_device_descriptor desc; /* 設備描述符 */

struct list_head configs;

struct list_head gstrings;

struct usb_composite_driver *driver; /* composite driver */

u8 next_string_id;

char *def_manufacturer;

/* the gadget driver won‘t enable the data pullup

* while the deactivation count is nonzero.

*/

unsigned deactivations;

/* the composite driver won’t complete the control transfer‘s

* data/status stages till delayed_status is zero.

*/

int delayed_status;

/* protects deactivations and delayed_status counts*/

spinlock_t lock;

unsigned setup_pending:1;

unsigned os_desc_pending:1;

};

3.2 驅(qū)動剖析

為一個通用的usb gadget 驅(qū)動剖析，框圖中只列出了兩個function，如果有多個function可以繼續(xù)添加。關(guān)于udc控制器部分，，沒有繼續(xù)畫下去，注意我們始終保持一個原則，【抓大放小】，把握重要的脈絡即可。

分層分塊

上下分層，左右分離的思想。

設備功能驅(qū)動

legacy 驅(qū)動入口

functions 驅(qū)動實現(xiàn)

Gadget 設備層：最重要的是compsite_bind 方法，承上啟下的作用。

udc 設備控制器層。usb 協(xié)議的真正處理。

驅(qū)動走向

向下：usb_composite_driver -》 usb_gadget_driver-》usb_udc

向上回調(diào)：udc_bind_to_driver -》 composite_bind -》 webcam_bind其中其主要作用的兩個結(jié)構(gòu)就是usb_gadget_driver 和 usb_compsite_dev。前者向下注冊到udc list 里面，與udc控制器建立綁定關(guān)系；后者向上提供接口，供上層配置usb 設備的各種functions 和其他配置信息。

代碼分析

注冊usb_composite_driver

module_usb_composite_driver（webcam_driver）

module_driver（webcam_driver， usb_composite_probe，

usb_composite_unregister）

usb_composite_probe

usb_composite_probe（webcam_driver）;

driver-》gadget_driver = composite_driver_template;

gadget_driver = &driver-》gadget_driver;

。。。

usb_gadget_probe_driver（composite_driver_template）;

udc_bind_to_driver（udc， driver）;

composite_driver_template-》bind（udc-》gadget， composite_driver_template）;

usb_gadget_udc_start（udc）;

composite_bind

composite_bind（udc-》gadget，composite_driver_template）;

cdev-》gadget = gadget;

composite_dev_prepare（webcam_driver，cdev）;

cdev-》req = usb_ep_alloc_request（gadget-》ep0， GFP_KERNEL）; /* 申請端點0 */

cdev-》req-》complete = composite_setup_complete;

cdev-》driver = webcam_driver;

usb_ep_autoconfig_reset（gadget）;

webcam_driver-》bind（cdev）;

webcam_bind

webcam_bind（cdev）;

usb_get_function_instance（“uvc”）;

try_get_usb_function_instance（“uvc”）;

uvc_alloc_inst（）;

usb_add_config（）;

webcam_config_bind（）;

usb_get_function（）;

usb_add_function（）;

others_config_bind（）;

其他

關(guān)于function driver 我們這里沒有詳細介紹，這個框圖只是一個通用的usb 設備驅(qū)動框架圖，對于具體的usb function driver 我們這里沒有做具體分析。

以f_uvc簡單舉例，詳細過程見內(nèi)核源碼。

DECLARE_USB_FUNCTION_INIT（uvc， uvc_alloc_inst， uvc_alloc）;

DECLARE_USB_FUNCTION_INIT（uvc， uvc_alloc_inst， uvc_alloc）;

usb_function_register（&uvcusb_func）;

list_for_each_entry（fd， &func_list， list）

list_add_tail（）;

DECLARE_USB_FUNCTION_INIT

一個通用的驅(qū)動模板，用來注冊usb_function_driver，并添加到func_list上。

#define DECLARE_USB_FUNCTION（_name， _inst_alloc， _func_alloc）

static struct usb_function_driver _name ## usb_func = {

.name = __stringify（_name），

.mod = THIS_MODULE，

.alloc_inst = _inst_alloc，

.alloc_func = _func_alloc，

};

MODULE_ALIAS（“usbfunc：”__stringify（_name））;#define DECLARE_USB_FUNCTION_INIT（_name， _inst_alloc， _func_alloc）

DECLARE_USB_FUNCTION（_name， _inst_alloc， _func_alloc）

static int __init _name ## mod_init（void）

{

return usb_function_register（&_name ## usb_func）;

}

static void __exit _name ## mod_exit（void）

{

usb_function_unregister（&_name ## usb_func）;

}

module_init（_name ## mod_init）;

module_exit（_name ## mod_exit）

4. 總結(jié)本文以拆解的方式，逐步剝離 usb 設備端驅(qū)動框架，帶領(lǐng)大家來重新認識usb 設備端驅(qū)動，同時給出了一個 compsite 設備的通用驅(qū)動框架模型，并從源碼層次分析整個驅(qū)動流程。

有關(guān)USB 或者 其他類似的高級驅(qū)動，筆者有個建議，在初學時一點更要【把握主次，忽略細節(jié)】。

比如一個復合的usb 設備可能包含，uvc，uac，hid，等等，視頻有uvc function驅(qū)動和v4l2驅(qū)動，uac也有相應的驅(qū)動，衍生展開會非常復雜。

所以當我們先掌握設備端驅(qū)動框架以及流程，等后面需要加入其他usb function 驅(qū)動再去研究其協(xié)議或者驅(qū)動，以及衍生驅(qū)動。

編輯：jq