嵌入式技術(shù)干貨，及時送達(dá)

---

作者：論壇答疑助手楊老師

授權(quán)轉(zhuǎn)載于公眾號：柒零玖嵌入式(id：fengyuwuzu0519)有刪減修改。

1、USB驅(qū)動引入

USB（全稱 Universal Serial Bus，通用串行總線），已經(jīng)成為PC及嵌入式設(shè)備中最常用、最便捷的通信接口。Linux USB子系統(tǒng)較為龐大，本文主要對Linux系統(tǒng)下的USB總線驅(qū)動框架進(jìn)行概述，重點的細(xì)節(jié)待后續(xù)文章展開。

首先來看一個現(xiàn)象，插入USB設(shè)備后linux系統(tǒng)打印如下日志：

拔出后提示：usb 1-1: USB disconnect, address 2

1.1 USB的硬件結(jié)構(gòu)

如圖集線器（USB Root Hub）端兩條數(shù)據(jù)線（D+D-），都接有15K的下拉電阻，當(dāng)無設(shè)備接入時，集線器數(shù)據(jù)線D+D-的電壓為低電平。當(dāng)設(shè)備接入時，由于設(shè)備的數(shù)據(jù)線上接有1.5K上拉電阻，使得1根數(shù)據(jù)線被拉高。集線器根據(jù)數(shù)據(jù)線被拉高得知有設(shè)備接入，并根據(jù)D+為高還是D-為高來判斷所接入的設(shè)備是全速USB設(shè)備（D+為高）還是低速USB設(shè)備（D-為高）。

1.2 USB接入識別大致過程

當(dāng)識別出有USB設(shè)備插入后，linux內(nèi)的USB總線驅(qū)動程序發(fā)出命令至該設(shè)備，與設(shè)備對話，并詢問設(shè)備信息（描述符），設(shè)備收到請求后，回復(fù)設(shè)備描述符給總線驅(qū)動程序。且總線驅(qū)動程序會為該設(shè)備分配一個地址，如上地址為2，當(dāng)后期訪問某個USB設(shè)備時，均會通過這個地址編號，當(dāng)新接入的USB設(shè)備被第一次訪問時，以地址0來訪問。當(dāng)USB總線驅(qū)動程序識別出設(shè)備后，會為其找到該USB設(shè)備驅(qū)動程序，如鍵盤，鼠標(biāo)，U盤。

USB通信過程均為主從結(jié)構(gòu)，USB主機(jī)發(fā)起通信請求，設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)回復(fù)，USB設(shè)備不具備主動向主機(jī)通信的能力。

2、USB總線驅(qū)動框架

如上，我們大致了解了USB的簡單通信過程，那么什么是USB總線驅(qū)動程序？什么是USB設(shè)備驅(qū)動呢？

2.1 USB的總線驅(qū)動框架     

USB總線框架總結(jié)為如下圖：

2.2 USB Core

USB Core這個模塊是純軟件部分，并不代表一個設(shè)備，是獨立于硬件的協(xié)議棧，它是所有USB設(shè)備賴以生存的模塊，即USB子系統(tǒng)的核心。代碼位于kernel/drivers/usb/core目錄下。

USB Core為設(shè)備驅(qū)動程序提供服務(wù)，提供一個用于訪問和控制USB硬件的接口，而不用考慮系統(tǒng)當(dāng)前使用的哪種HOST Controller。USB Core將用戶的請求映射到相關(guān)的HCD，用戶不能直接訪問HCD。USB Core就是HCD與USB設(shè)備的橋梁。

其Makefile為：

2.3 USB HCD（Host Controller Driver）

硬件主機(jī)控制器Host Controller之上運行的是HCD，是對主機(jī)控制器硬件的一個抽象，實現(xiàn)核心層與控制器之間的對話接口，USB HCD包含多種USB接口規(guī)范：

（1）UHCI：Intel提供，通用主機(jī)控制接口，USB1.0/1.1；

（2）OHCI：微軟提供，開放主機(jī)控制接口，USB1.0/1.1；

（3）EHCI：增強(qiáng)主機(jī)控制接口，USB2.0；

2.4 USB Device Driver

USB設(shè)備驅(qū)動框架如下圖所示：

USB設(shè)備是由一些配置(configuration)、接口（interface）和端點(endpoint)組成，，即一個USB設(shè)備可以含有一個或多個配置，在每個配置中可含有一個或多個接口，在每個接口中可含有若干個端點。一個USB設(shè)備驅(qū)動可能包含多個子驅(qū)動。一個USB設(shè)備子驅(qū)動程序?qū)?yīng)一個USB接口，而非整個USB設(shè)備。

USB設(shè)備使用各種描述符來說明其設(shè)備架構(gòu)，包括設(shè)備描述符、配置描述符、接口描述符、端點描述符、字符串描述符。后面單獨討論USB設(shè)備描述符。

USB傳輸?shù)膶ο鬄槎它c(endpoint)，每一個端點都有傳輸類型，傳輸方向，除了端點0外，每一個端點只支持一個方向的數(shù)據(jù)傳輸，端點0用于控制傳輸，既能輸出也能輸入。輸入(IN)、輸出(OUT) '都是' 基于USB主機(jī)的立場說的。比如鼠標(biāo)的數(shù)據(jù)是從鼠標(biāo)傳到PC機(jī), 對應(yīng)的端點稱為'輸入端點'。

USB的傳輸類型:

a. 控制傳輸：可靠，時間有保證，比如：USB設(shè)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(biāo)

d. 實時傳輸：不可靠，實時，比如：USB攝像頭

針對不同類型的USB設(shè)備，需要實現(xiàn)特定的USB驅(qū)動程序。如HID(Human Interface Device)， 屬于人機(jī)交互類的設(shè)備，如USB鼠標(biāo)，USB鍵盤等。該類設(shè)備必須遵循HID設(shè)計規(guī)范。

在Linux內(nèi)核中，使用 struct usb_driver結(jié)構(gòu)體來描述一個USB驅(qū)動，通過usb_register在USB驅(qū)動中注冊進(jìn)內(nèi)核。

因此USB設(shè)備驅(qū)動開發(fā)，主要包含如下兩個部分：

1. 分配/設(shè)置usb_driver結(jié)構(gòu)體，實現(xiàn)并填充結(jié)構(gòu)體內(nèi)容

2. 注冊usb_driver

   后續(xù)將對USB鼠標(biāo)驅(qū)動進(jìn)行詳細(xì)分析，其代碼在kernel/drivers/hid/usbhid/usbmouse.c

3、USB設(shè)備識別過程

通過以上分析，USB設(shè)備驅(qū)動模型可以概括為如下圖。

主要包含三個部分：USB控制器驅(qū)動，USB核心，USB設(shè)備驅(qū)動。如上圖khubd是USB守護(hù)進(jìn)程，當(dāng)USB設(shè)備插入的時候，守護(hù)進(jìn)程監(jiān)測到，USB主機(jī)控制器就會產(chǎn)生一個hub_irq中斷，控制器調(diào)用hub的探測函數(shù)，來解析設(shè)備信息。

下面分析一下USB設(shè)備的識別過程。

以上顯示了設(shè)備插入到USB設(shè)備驅(qū)動被調(diào)用的函數(shù)流程，后面將拿出一章具體分析函數(shù)內(nèi)部實現(xiàn)來進(jìn)一步分析USB設(shè)備識別中做了哪些事情。

4、總結(jié)

通過以上內(nèi)容，我們從整體上認(rèn)識了USB硬件識別過程，USB總線框架及USB設(shè)備驅(qū)動框架。后續(xù)會針對一些重點知識進(jìn)行專題分析。主要包括：

1. USB設(shè)備描述符解析

2. USB四類傳輸類型

3. USB數(shù)據(jù)包格式分析

4. USB鼠標(biāo)設(shè)備驅(qū)動代碼分析

5. USB初始化代碼分析

6. USB枚舉過程代碼分析