作者：論壇答疑助手楊老師

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1、USB驅(qū)動(dòng)引入

USB（全稱(chēng) 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(duì)Linux系統(tǒng)下的USB總線驅(qū)動(dòng)框架進(jìn)行概述，重點(diǎn)的細(xì)節(jié)待后續(xù)文章展開(kāi)。

首先來(lái)看一個(gè)現(xiàn)象，插入U(xiǎn)SB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(wú)設(shè)備接入時(shí)，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(shí)，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(lái)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(shí)別大致過(guò)程

當(dāng)識(shí)別出有USB設(shè)備插入后，linux內(nèi)的USB總線驅(qū)動(dòng)程序發(fā)出命令至該設(shè)備，與設(shè)備對(duì)話，并詢(xún)問(wèn)設(shè)備信息（描述符），設(shè)備收到請(qǐng)求后，回復(fù)設(shè)備描述符給總線驅(qū)動(dòng)程序。且總線驅(qū)動(dòng)程序會(huì)為該設(shè)備分配一個(gè)地址，如上地址為2，當(dāng)后期訪問(wèn)某個(gè)USB設(shè)備時(shí)，均會(huì)通過(guò)這個(gè)地址編號(hào)，當(dāng)新接入的USB設(shè)備被第一次訪問(wèn)時(shí)，以地址0來(lái)訪問(wèn)。當(dāng)USB總線驅(qū)動(dòng)程序識(shí)別出設(shè)備后，會(huì)為其找到該USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，如鍵盤(pán)，鼠標(biāo)，U盤(pán)。

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

2、USB總線驅(qū)動(dòng)框架

如上，我們大致了解了USB的簡(jiǎn)單通信過(guò)程，那么什么是USB總線驅(qū)動(dòng)程序？什么是USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)呢？

2.1 USB的總線驅(qū)動(dòng)框架? ? ?

USB總線框架總結(jié)為如下圖：

2.2 USB Core

USB Core這個(gè)模塊是純軟件部分，并不代表一個(gè)設(shè)備，是獨(dú)立于硬件的協(xié)議棧，它是所有USB設(shè)備賴(lài)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(dòng)程序提供服務(wù)，提供一個(gè)用于訪問(wèn)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(qǐng)求映射到相關(guān)的HCD，用戶不能直接訪問(wèn)HCD。USB Core就是HCD與USB設(shè)備的橋梁。

其Makefile為：

USB的初始化函數(shù)在kernel/drivers/usb/core/usb.c中定義，主要完成bus_register（USB總線注冊(cè)）、usb_major_init（注冊(cè)u(píng)sb主控器字符設(shè)備）、usb_register（注冊(cè)u(píng)sbfs驅(qū)動(dòng)）、usb_hub_init（USB Hub初始化，注冊(cè)hub驅(qū)動(dòng)、創(chuàng)建內(nèi)核守護(hù)線程來(lái)監(jiān)測(cè)hub端口的狀態(tài)變化）等工作，后續(xù)具體分析。

2.3 USB HCD（Host Controller Driver）

硬件主機(jī)控制器Host Controller之上運(yùn)行的是HCD，是對(duì)主機(jī)控制器硬件的一個(gè)抽象，實(shí)現(xiàn)核心層與控制器之間的對(duì)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(kāi)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(dòng)框架如下圖所示：

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

USB設(shè)備使用各種描述符來(lái)說(shuō)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(diǎn)描述符、字符串描述符。后面單獨(dú)討論USB設(shè)備描述符。

USB傳輸?shù)膶?duì)象為端點(diǎn)(endpoint)，每一個(gè)端點(diǎn)都有傳輸類(lèi)型，傳輸方向，除了端點(diǎn)0外，每一個(gè)端點(diǎn)只支持一個(gè)方向的數(shù)據(jù)傳輸，端點(diǎn)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(chǎng)說(shuō)的。比如鼠標(biāo)的數(shù)據(jù)是從鼠標(biāo)傳到PC機(jī), 對(duì)應(yīng)的端點(diǎn)稱(chēng)為"輸入端點(diǎn)"。

USB的傳輸類(lèi)型:

a. 控制傳輸：可靠，時(shí)間有保證，比如：USB設(shè)備的識(shí)別過(guò)程

b. 批量傳輸: 可靠, 時(shí)間沒(méi)有保證, 比如：U盤(pán)

c. 中斷傳輸：可靠，實(shí)時(shí)，比如：USB鼠標(biāo)

d. 實(shí)時(shí)傳輸：不可靠，實(shí)時(shí)，比如：USB攝像頭

針對(duì)不同類(lèi)型的USB設(shè)備，需要實(shí)現(xiàn)特定的USB驅(qū)動(dòng)程序。如HID(Human Interface Device)， 屬于人機(jī)交互類(lèi)的設(shè)備，如USB鼠標(biāo)，USB鍵盤(pán)等。該類(lèi)設(shè)備必須遵循HID設(shè)計(jì)規(guī)范。

在Linux內(nèi)核中，使用 struct usb_driver結(jié)構(gòu)體來(lái)描述一個(gè)USB驅(qū)動(dòng)，通過(guò)usb_register在USB驅(qū)動(dòng)中注冊(cè)進(jìn)內(nèi)核。

因此USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)，主要包含如下兩個(gè)部分：

• 分配/設(shè)置usb_driver結(jié)構(gòu)體，實(shí)現(xiàn)并填充結(jié)構(gòu)體內(nèi)容

• 注冊(cè)u(píng)sb_driver

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

3、USB設(shè)備識(shí)別過(guò)程

通過(guò)以上分析，USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)模型可以概括為如下圖。

主要包含三個(gè)部分：USB控制器驅(qū)動(dòng)，USB核心，USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)。如上圖khubd是USB守護(hù)進(jìn)程，當(dāng)USB設(shè)備插入的時(shí)候，守護(hù)進(jìn)程監(jiān)測(cè)到，USB主機(jī)控制器就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)hub_irq中斷，控制器調(diào)用hub的探測(cè)函數(shù)，來(lái)解析設(shè)備信息。

下面分析一下USB設(shè)備的識(shí)別過(guò)程。

以上顯示了設(shè)備插入到USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)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(shí)現(xiàn)來(lái)進(jìn)一步分析USB設(shè)備識(shí)別中做了哪些事情。

4、總結(jié)

通過(guò)以上內(nèi)容，我們從整體上認(rèn)識(shí)了USB硬件識(shí)別過(guò)程，USB總線框架及USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)框架。后續(xù)會(huì)針對(duì)一些重點(diǎn)知識(shí)進(jìn)行專(zhuān)題分析。主要包括：

• USB設(shè)備描述符解析

• USB四類(lèi)傳輸類(lèi)型

• USB數(shù)據(jù)包格式分析

• USB鼠標(biāo)設(shè)備驅(qū)動(dòng)代碼分析

• USB初始化代碼分析

• USB枚舉過(guò)程代碼分析

-END-

ps：韋東山2期視頻也講了USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)，感興趣的可以去看看。?

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