驱动07.USB驱动程序

1 了解USB识别的过程

eg：在Windows系统下的一个现象：把手机的USB设备接到PC
　　1. 右下角弹出"发现android phone"
　　2. 跳出一个对话框，提示你安装驱动程序

问1. 既然还没有"驱动程序"，为何能知道是"android phone"
答1. windows里已经有了USB的总线驱动程序，接入USB设备后，是"总线驱动程序"知道你是"android phone"
     提示你安装的是"设备驱动程序"。

问2. USB设备种类非常多，为什么一接入电脑，就能识别出来？
答2. PC和USB设备都得遵守一些规范。（协议）
     比如：USB设备接入电脑后，PC机会发出"你是什么"？
           USB设备就必须回答"我是xxx", 并且回答的语言必须是中文
     USB总线驱动程序会发出某些命令想获取设备信息(描述符)，
     USB设备必须返回"描述符"给PC

问3. PC机上接有非常多的USB设备，怎么分辨它们？
     USB接口只有4条线: 5V,GND,D-,D+
答3. 每一个USB设备接入PC时，USB总线驱动程序都会给它分配一个编号
     接在USB总线上的每一个USB设备都有自己的编号(地址)
     PC机想访问某个USB设备时，发出的命令都含有对应的编号(地址)

问4. USB设备刚接入PC时，还没有编号；那么PC怎么把"分配的编号"告诉它？
答4. 新接入的USB设备的默认编号是0，在未分配新编号前，PC使用0编号和它通信。

问5. 为什么一接入USB设备，PC机就能发现它？
答5. PC的USB口内部，D-和D+接有15K的下拉电阻，未接USB设备时为低电平
     USB设备的USB口内部，D-或D+接有1.5K的上拉电阻；它一接入PC，就会把PC USB口的D-或D+拉高，从硬件的角度通知PC有新设备接入

2 USB的其他概念

2.1 USB是主从结构的
   所有的USB传输，都是从USB主机这方发起；USB设备没有"主动"通知USB主机的能力。
   例子：USB鼠标滑动一下立刻产生数据，但是它没有能力通知PC机来读数据，只能被动地等得PC机来读。

2.2 USB的传输类型:
a. 控制传输：可靠，时间有保证，比如：USB设备的识别过程
b. 批量传输: 可靠, 时间没有保证, 比如：U盘
c. 中断传输：可靠，实时，比如：USB鼠标
d. 实时传输：不可靠，实时，比如：USB摄像头

2.3 USB传输的对象：端点(endpoint)
   我们说"读U盘"、"写U盘"，可以细化为：把数据写到U盘的端点1，从U盘的端点2里读出数据
   除了端点0外，每一个端点只支持一个方向的数据传输
   端点0用于控制传输，既能输出也能输入
   
2.4 每一个端点都有传输类型，传输方向

2.5 术语里、程序里说的输入(IN)、输出(OUT) "都是" 基于USB主机的立场说的。
   比如鼠标的数据是从鼠标传到PC机, 对应的端点称为"输入端点"
     
2.6 USB总线驱动程序的作用
a. 识别USB设备
b. 查找并安装对应的设备驱动程序
c. 提供USB读写函数

3 USB驱动程序框架

app:   
-------------------------------------------
          USB设备驱动程序      // 知道数据含义
内核 --------------------------------------
          USB总线驱动程序      // 1. 识别, 2. 找到匹配的设备驱动, 3. 提供USB读写函数 (它不知道数据含义)
-------------------------------------------
           USB主机控制器
           UHCI OHCI EHCI
硬件        -----------
              USB设备

UHCI: intel,     低速(1.5Mbps)/全速(12Mbps)
OHCI: microsoft  低速/全速
EHCI:            高速(480Mbps)

小结：

USB总线驱动程序的作用
1. 识别USB设备
1.1 分配地址
1.2 并告诉USB设备(set address)
1.3 发出命令获取描述符
描述符的信息可以在include\linux\usb\Ch9.h看到
2. 查找并安装对应的设备驱动程序
3. 提供USB读写函数

4 实践并分析USB的识别过程

把手机设备插入USB到开发板，看输出结果。

输出结果：

usb 1-1: new full speed USB device using s3c2410-ohci and address 2
usb 1-1: configuration #1 chosen from 1 choice
scsi0 : SCSI emulation for USB Mass Storage devices
scsi 0:0:0:0: Direct-Access     Linux    File-Stor Gadget 0310 PQ: 0 ANSI: 2
sd 0:0:0:0: [sda] 5586 2048-byte hardware sectors (11 MB)
sd 0:0:0:0: [sda] Write Protect is on
sd 0:0:0:0: [sda] Assuming drive cache: write through
sd 0:0:0:0: [sda] 5586 2048-byte hardware sectors (11 MB)
sd 0:0:0:0: [sda] Write Protect is on
sd 0:0:0:0: [sda] Assuming drive cache: write through
 sda: unknown partition table
sd 0:0:0:0: [sda] Attached SCSI removable disk

拔掉后，串口输出的结果：
usb 1-1: USB disconnect, address 2

在内核目录下：grep "USB device using" * -nR查看调用过程

drivers/usb/core/hub.c:2186:              "%s %s speed %sUSB device using %s and address %d\n",

hub_irq
    kick_khubd
        hub_thread
            hub_events
                hub_port_connect_change
                
                    udev = usb_alloc_dev(hdev, hdev->bus, port1);
                                dev->dev.bus = &usb_bus_type;
                
                    choose_address(udev); // 给新设备分配编号(地址)
                    
                    
                    hub_port_init   // usb 1-1: new full speed USB device using s3c2410-ohci and address 2
                        
                        hub_set_address  // 把编号(地址)告诉USB设备
                        
                        usb_get_device_descriptor(udev, 8); // 获取设备描述符
                        retval = usb_get_device_descriptor(udev, USB_DT_DEVICE_SIZE);
                        
                    usb_new_device(udev)   
                        err = usb_get_configuration(udev); // 把所有的描述符都读出来，并解析
                        usb_parse_configuration
                            
                        device_add  // 把device放入usb_bus_type的dev链表,
                                        // 从usb_bus_type的driver链表里取出usb_driver，
                                        // 把usb_interface和usb_driver的id_table比较
                                        // 如果能匹配，调用usb_driver的probe

5 分析可知USB设备的驱动框架

（1）分配usb_driver结构体

（2）设置usb_driver结构体

　　.id_table

　　.probe

　　.disconnect

（3）注册

6 写代码

参考usbmouse.c

------------------------------------------------------------编辑于2017-01-12 00:46:47

6.1 分析usbmouse.c

（1）usb_mouse_init函数：注册usb_mouse_driver结构体

 static int __init usb_mouse_init(void)
 {
     int retval = usb_register(&usb_mouse_driver);
     if (retval == )
         info(DRIVER_VERSION ":" DRIVER_DESC);
     return retval;
 }

usb_mouse_driver结构体的原型：

 static struct usb_driver usb_mouse_driver = {
     .name        = "usbmouse",
     .probe        = usb_mouse_probe,
     .disconnect    = usb_mouse_disconnect,
     .id_table    = usb_mouse_id_table,
 };

如果id_table相匹配，则调用probe函数。

（2）probe函数

 static int usb_mouse_probe(struct usb_interface *intf, const struct usb_device_id *id)
 {
     struct usb_device *dev = interface_to_usbdev(intf);//获取设备描述符
     struct usb_host_interface *interface;    //接口描述符
     struct usb_endpoint_descriptor *endpoint;//端点描述符
     struct usb_mouse *mouse;
     struct input_dev *input_dev;
     int pipe, maxp;
     int error = -ENOMEM;

     interface = intf->cur_altsetting;    //接口定义

     if (interface->desc.bNumEndpoints != )
         return -ENODEV;

     endpoint = &interface->endpoint[].desc;   //端点定义
     if (!usb_endpoint_is_int_in(endpoint))
         return -ENODEV;

     pipe = usb_rcvintpipe(dev, endpoint->bEndpointAddress);  //源
     maxp = usb_maxpacket(dev, pipe, usb_pipeout(pipe));//数据包的大小，即长度

     mouse = kzalloc(sizeof(struct usb_mouse), GFP_KERNEL);
     input_dev = input_allocate_device();//注册input_dev结构体
     if (!mouse || !input_dev)
         goto fail1;

     mouse->data = usb_buffer_alloc(dev, , GFP_ATOMIC, &mouse->data_dma);//目的
     if (!mouse->data)
         goto fail1;

     mouse->irq = usb_alloc_urb(, GFP_KERNEL);//分配一个urb结构体
     if (!mouse->irq)
         goto fail2;

     mouse->usbdev = dev;
     mouse->dev = input_dev;

     if (dev->manufacturer)
         strlcpy(mouse->name, dev->manufacturer, sizeof(mouse->name));

     if (dev->product) {
         if (dev->manufacturer)
             strlcat(mouse->name, " ", sizeof(mouse->name));
         strlcat(mouse->name, dev->product, sizeof(mouse->name));
     }

     if (!strlen(mouse->name))
         snprintf(mouse->name, sizeof(mouse->name),
              "USB HIDBP Mouse %04x:%04x",
              le16_to_cpu(dev->descriptor.idVendor),
              le16_to_cpu(dev->descriptor.idProduct));

     usb_make_path(dev, mouse->phys, sizeof(mouse->phys));
     strlcat(mouse->phys, "/input0", sizeof(mouse->phys));
     /*设置input_dev结构体*/
     input_dev->name = mouse->name;
     input_dev->phys = mouse->phys;
     usb_to_input_id(dev, &input_dev->id);
     input_dev->dev.parent = &intf->dev;
 　　/*设置事件类型、事件明细*/
     input_dev->evbit[] = BIT(EV_KEY) | BIT(EV_REL);
     input_dev->keybit[LONG(BTN_MOUSE)] = BIT(BTN_LEFT) | BIT(BTN_RIGHT) | BIT(BTN_MIDDLE);
     input_dev->relbit[] = BIT(REL_X) | BIT(REL_Y);
     input_dev->keybit[LONG(BTN_MOUSE)] |= BIT(BTN_SIDE) | BIT(BTN_EXTRA);
     input_dev->relbit[] |= BIT(REL_WHEEL);

     input_set_drvdata(input_dev, mouse);

     input_dev->open = usb_mouse_open;
     input_dev->close = usb_mouse_close;
 　　　　/*设置urb结构体，并提交urb结构体*/
     usb_fill_int_urb(mouse->irq, dev, pipe, mouse->data,
              (maxp >  ?  : maxp),
              usb_mouse_irq, mouse, endpoint->bInterval);
     mouse->irq->transfer_dma = mouse->data_dma;
     mouse->irq->transfer_flags |= URB_NO_TRANSFER_DMA_MAP;
 　　/*注册input_dev结构体*/
     error = input_register_device(mouse->dev);
     if (error)
         goto fail3;

     usb_set_intfdata(intf, mouse);
     return ;

 fail3:
     usb_free_urb(mouse->irq);
 fail2:
     usb_buffer_free(dev, , mouse->data, mouse->data_dma);
 fail1:
     input_free_device(input_dev);
     kfree(mouse);
     return error;
 }

6.2 写代码

写一个USB鼠标作为按键，左键为"l",右键为"s",滚轮为"ENTER",命名为usbmouse_as_key.c

 #include <linux/kernel.h>
 #include <linux/slab.h>
 #include <linux/module.h>
 #include <linux/init.h>
 #include <linux/usb/input.h>
 #include <linux/hid.h>

 static struct input_dev *uk_dev;
 static char *usb_buf;
 static dma_addr_t usb_buf_phys;
 static struct urb *uk_urb;
 static int len;

 static void usbmouse_as_key_irq(struct urb *urb)
 {
     static unsigned char pre_val;
     if((pre_val & (<<)) != (usb_buf[] & (<<)))
     {
         input_report_key(uk_dev,KEY_L,(usb_buf[] & (<<)) );
         input_sync(uk_dev);
     }
     if((pre_val & (<<)) != (usb_buf[] & (<<)))
     {
         input_report_key(uk_dev,KEY_S,(usb_buf[] & (<<)) );
         input_sync(uk_dev);
     }
     if((pre_val & (<<)) != (usb_buf[] & (<<)))
     {
         input_report_key(uk_dev,KEY_ENTER,(usb_buf[] & (<<)) );
         input_sync(uk_dev);
     }
     pre_val = usb_buf[];

     usb_submit_urb (uk_urb, GFP_KERNEL);
 }

 static int usbmouse_as_key_probe(struct usb_interface *intf, const struct usb_device_id *id)
 {
     struct usb_device *dev = interface_to_usbdev(intf);
     struct usb_host_interface *interface;
     struct usb_endpoint_descriptor *endpoint;
     int pipe;
     interface = intf->cur_altsetting;
     endpoint = &interface->endpoint[].desc;

     uk_dev = input_allocate_device();

     set_bit(EV_KEY,uk_dev->evbit);
     set_bit(EV_REP,uk_dev->evbit);

     set_bit(KEY_L,uk_dev->keybit);
     set_bit(KEY_S,uk_dev->keybit);
     set_bit(KEY_ENTER,uk_dev->keybit);

     input_register_device(uk_dev);

     pipe = usb_rcvintpipe(dev, endpoint->bEndpointAddress);
     usb_buf = usb_buffer_alloc(dev,len, GFP_ATOMIC, &usb_buf_phys);
     len = endpoint->wMaxPacketSize;

     uk_urb = usb_alloc_urb(, GFP_KERNEL);
     usb_fill_int_urb(uk_urb, dev, pipe, usb_buf,len,usbmouse_as_key_irq, NULL, endpoint->bInterval);
     uk_urb->transfer_dma = usb_buf_phys;
     uk_urb->transfer_flags |= URB_NO_TRANSFER_DMA_MAP;
     usb_submit_urb(uk_urb, GFP_KERNEL);

     return ;
 }

 static void usbmouse_as_key_disconnect(struct usb_interface *intf)
 {
     struct usb_device *dev = interface_to_usbdev(intf);
     usb_kill_urb(uk_urb);
     usb_free_urb(uk_urb);

     usb_buffer_free(dev,len,usb_buf,usb_buf_phys);

     input_unregister_device(uk_dev);
     input_free_device(uk_dev);
 }

 static struct usb_device_id usbmouse_as_key_id_table [] = {
     { USB_INTERFACE_INFO(USB_INTERFACE_CLASS_HID, USB_INTERFACE_SUBCLASS_BOOT,
         USB_INTERFACE_PROTOCOL_MOUSE) },
     { }    /* Terminating entry */
 };

 static struct usb_driver usbmouse_as_key_driver = {
     .name        = "usbmouse_as_key",
     .probe        = usbmouse_as_key_probe,
     .disconnect    = usbmouse_as_key_disconnect,
     .id_table    = usbmouse_as_key_id_table,
 };

 static int usbmouse_as_key_init(void)
 {
     usb_register(&usbmouse_as_key_driver);
     return ;
 }

 static void usbmouse_as_key_exit(void)
 {
     usb_deregister(&usbmouse_as_key_driver);
 }

 module_init(usbmouse_as_key_init);
 module_exit(usbmouse_as_key_exit);

 MODULE_LICENSE("GPL");

usbmouse_as_key.c

调试方法：cat /dev/tty1

---------------------------------------------------------------编辑于2017-01-13 00:25:38