Linux下 USB设备驱动分析（原创）

之前做过STM32的usb HID复合设备，闲来看看linux下USB设备驱动是怎么一回事，

参考资料基于韦东山JZ2440开发板，以下，有错误欢迎指出。

1、准备知识

1.1USB相关概念：

USB枚举过程：https://blog.csdn.net/go_str/article/details/80802452
USB其它概念：

Linux platform平台总线、平台设备、平台驱动

（1）usb是主从结构，usb的传输都是主机发起；

（2）usb右四种传输类型：控制、批量、中断、实时传输。

（3）usb数据是通过端点进行通讯的，0端点既能输入也能输出，端点都是有传输方向的，

（4）USB驱动程序框架

app：

-----------------------------------------------

内核：USB设备驱动程序---知道数据含义，比如用户自定义HID数据可以在这里解析；

---------------------------------------------------------------------------------------------------------------

　　　USB总线驱动程序--识别，找到匹配的设备驱动，提供读写函数；

-----------------------------------------------

底层硬件相关：USB主机控制器，具体的USB类--HID、AUDIO、DFU、CDC、MSC等

1.2

2、USB总线驱动概念：

USB 设备驱动程序就是用来支持 “硬件 -- USB 设备”的。但是为了访问底层具体的“USB 设
备”，就要用到了“USB 总线驱动程序”提供的读写函数，将命令或数据发给底层“USB 主机控制
器”，由“USB 主机控制器”产生信号发送给“USB 设备”。

2.1USB总线驱动程序的作用

（1）识别USB设备；

当你插上USB设备时，硬件上拉电阻触发，进入中断函数，通过端点0主机set 地址，获取相关的描述符，枚举。

这个过程有点复杂，可以看参考USB枚举链接。

（2）查找并安装对应的设备驱动程序；

（3）提供USB读写函数

2.2USB主机控制器

协议规范：https://www.usb.org/about

UHC：intel 低速-全速
OHCI：microsoft 低速、全速
EHCI：高速

linux内核源码（linux-2.6.22.6）
参考的内核代码：

1/*
2 * $Id: usbmouse.c,v 1.15 2001/12/27 10:37:41 vojtech Exp $
3 *
4 *  Copyright (c) 1999-2001 Vojtech Pavlik
5 *
6 *  USB HIDBP Mouse support
7 */
8
9/*
10 * This program is free software; you can redistribute it and/or modify
11 * it under the terms of the GNU General Public License as published by
12 * the Free Software Foundation; either version 2 of the License, or
13 * (at your option) any later version.
14 *
15 * This program is distributed in the hope that it will be useful,
16 * but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
17 * MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the
18 * GNU General Public License for more details.
19 *
20 * You should have received a copy of the GNU General Public License
21 * along with this program; if not, write to the Free Software
22 * Foundation, Inc., 59 Temple Place, Suite 330, Boston, MA 02111-1307 USA
23 *
24 * Should you need to contact me, the author, you can do so either by
25 * e-mail - mail your message to <vojtech@ucw.cz>, or by paper mail:
26 * Vojtech Pavlik, Simunkova 1594, Prague 8, 182 00 Czech Republic
27 */
28
29#include <linux/kernel.h>
30#include <linux/slab.h>
31#include <linux/module.h>
32#include <linux/init.h>
33#include <linux/usb/input.h>
34#include <linux/hid.h>
35
36/*
37 * Version Information
38 */
39#define DRIVER_VERSION "v1.6"
40#define DRIVER_AUTHOR "Vojtech Pavlik <vojtech@ucw.cz>"
41#define DRIVER_DESC "USB HID Boot Protocol mouse driver"
42#define DRIVER_LICENSE "GPL"
43
44MODULE_AUTHOR(DRIVER_AUTHOR);
45MODULE_DESCRIPTION(DRIVER_DESC);
46MODULE_LICENSE(DRIVER_LICENSE);
47
48struct usb_mouse {
49    char name[128];
50    char phys[64];
51    struct usb_device *usbdev;
52    struct input_dev *dev;
53    struct urb *irq;
54
55    signed char *data;
56    dma_addr_t data_dma;
57};
58
59static void usb_mouse_irq(struct urb *urb)
60{
61    struct usb_mouse *mouse = urb->context;
62    signed char *data = mouse->data;
63    struct input_dev *dev = mouse->dev;
64    int status;
65
66    switch (urb->status) {
67    case 0:            /* success */
68        break;
69    case -ECONNRESET:    /* unlink */
70    case -ENOENT:
71    case -ESHUTDOWN:
72        return;
73    /* -EPIPE:  should clear the halt */
74    default:        /* error */
75        goto resubmit;
76    }
77
78    input_report_key(dev, BTN_LEFT,   data[0] & 0x01);
79    input_report_key(dev, BTN_RIGHT,  data[0] & 0x02);
80    input_report_key(dev, BTN_MIDDLE, data[0] & 0x04);
81    input_report_key(dev, BTN_SIDE,   data[0] & 0x08);
82    input_report_key(dev, BTN_EXTRA,  data[0] & 0x10);
83
84    input_report_rel(dev, REL_X,     data[1]);
85    input_report_rel(dev, REL_Y,     data[2]);
86    input_report_rel(dev, REL_WHEEL, data[3]);
87
88    input_sync(dev);
89resubmit:
90    status = usb_submit_urb (urb, GFP_ATOMIC);
91    if (status)
92        err ("can't resubmit intr, %s-%s/input0, status %d",
93                mouse->usbdev->bus->bus_name,
94                mouse->usbdev->devpath, status);
95}
96
97static int usb_mouse_open(struct input_dev *dev)
98{
99    struct usb_mouse *mouse = input_get_drvdata(dev);
100
101    mouse->irq->dev = mouse->usbdev;
102    if (usb_submit_urb(mouse->irq, GFP_KERNEL))
103        return -EIO;
104
105    return 0;
106}
107
108static void usb_mouse_close(struct input_dev *dev)
109{
110    struct usb_mouse *mouse = input_get_drvdata(dev);
111
112    usb_kill_urb(mouse->irq);
113}
114
115static int usb_mouse_probe(struct usb_interface *intf, const struct usb_device_id *id)
116{
117    struct usb_device *dev = interface_to_usbdev(intf);
118    struct usb_host_interface *interface;
119    struct usb_endpoint_descriptor *endpoint;
120    struct usb_mouse *mouse;
121    struct input_dev *input_dev;
122    int pipe, maxp;
123    int error = -ENOMEM;
124
125    interface = intf->cur_altsetting;
126
127    if (interface->desc.bNumEndpoints != 1)
128        return -ENODEV;
129
130    endpoint = &interface->endpoint[0].desc;
131    if (!usb_endpoint_is_int_in(endpoint))
132        return -ENODEV;
133
134    pipe = usb_rcvintpipe(dev, endpoint->bEndpointAddress);
135    maxp = usb_maxpacket(dev, pipe, usb_pipeout(pipe));
136
137    mouse = kzalloc(sizeof(struct usb_mouse), GFP_KERNEL);
138    input_dev = input_allocate_device();
139    if (!mouse || !input_dev)
140        goto fail1;
141
142    mouse->data = usb_buffer_alloc(dev, 8, GFP_ATOMIC, &mouse->data_dma);
143    if (!mouse->data)
144        goto fail1;
145
146    mouse->irq = usb_alloc_urb(0, GFP_KERNEL);
147    if (!mouse->irq)
148        goto fail2;
149
150    mouse->usbdev = dev;
151    mouse->dev = input_dev;
152
153    if (dev->manufacturer)
154        strlcpy(mouse->name, dev->manufacturer, sizeof(mouse->name));
155
156    if (dev->product) {
157        if (dev->manufacturer)
158            strlcat(mouse->name, " ", sizeof(mouse->name));
159        strlcat(mouse->name, dev->product, sizeof(mouse->name));
160    }
161
162    if (!strlen(mouse->name))
163        snprintf(mouse->name, sizeof(mouse->name),
164             "USB HIDBP Mouse %04x:%04x",
165             le16_to_cpu(dev->descriptor.idVendor),
166             le16_to_cpu(dev->descriptor.idProduct));
167
168    usb_make_path(dev, mouse->phys, sizeof(mouse->phys));
169    strlcat(mouse->phys, "/input0", sizeof(mouse->phys));
170
171    input_dev->name = mouse->name;
172    input_dev->phys = mouse->phys;
173    usb_to_input_id(dev, &input_dev->id);
174    input_dev->dev.parent = &intf->dev;
175
176    input_dev->evbit[0] = BIT(EV_KEY) | BIT(EV_REL);
177    input_dev->keybit[LONG(BTN_MOUSE)] = BIT(BTN_LEFT) | BIT(BTN_RIGHT) | BIT(BTN_MIDDLE);
178    input_dev->relbit[0] = BIT(REL_X) | BIT(REL_Y);
179    input_dev->keybit[LONG(BTN_MOUSE)] |= BIT(BTN_SIDE) | BIT(BTN_EXTRA);
180    input_dev->relbit[0] |= BIT(REL_WHEEL);
181
182    input_set_drvdata(input_dev, mouse);
183
184    input_dev->open = usb_mouse_open;
185    input_dev->close = usb_mouse_close;
186
187    usb_fill_int_urb(mouse->irq, dev, pipe, mouse->data,
188             (maxp > 8 ? 8 : maxp),
189             usb_mouse_irq, mouse, endpoint->bInterval);
190    mouse->irq->transfer_dma = mouse->data_dma;
191    mouse->irq->transfer_flags |= URB_NO_TRANSFER_DMA_MAP;
192
193    error = input_register_device(mouse->dev);
194    if (error)
195        goto fail3;
196
197    usb_set_intfdata(intf, mouse);
198    return 0;
199
200fail3:    
201    usb_free_urb(mouse->irq);
202fail2:    
203    usb_buffer_free(dev, 8, mouse->data, mouse->data_dma);
204fail1:    
205    input_free_device(input_dev);
206    kfree(mouse);
207    return error;
208}
209
210static void usb_mouse_disconnect(struct usb_interface *intf)
211{
212    struct usb_mouse *mouse = usb_get_intfdata (intf);
213
214    usb_set_intfdata(intf, NULL);
215    if (mouse) {
216        usb_kill_urb(mouse->irq);
217        input_unregister_device(mouse->dev);
218        usb_free_urb(mouse->irq);
219        usb_buffer_free(interface_to_usbdev(intf), 8, mouse->data, mouse->data_dma);
220        kfree(mouse);
221    }
222}
223
224static struct usb_device_id usb_mouse_id_table [] = {
225    { USB_INTERFACE_INFO(USB_INTERFACE_CLASS_HID, USB_INTERFACE_SUBCLASS_BOOT,
226        USB_INTERFACE_PROTOCOL_MOUSE) },
227    { }    /* Terminating entry */
228};
229
230MODULE_DEVICE_TABLE (usb, usb_mouse_id_table);
231
232static struct usb_driver usb_mouse_driver = {
233    .name        = "usbmouse",
234    .probe        = usb_mouse_probe,
235    .disconnect    = usb_mouse_disconnect,
236    .id_table    = usb_mouse_id_table,
237};
238
239static int __init usb_mouse_init(void)
240{
241    int retval = usb_register(&usb_mouse_driver);
242    if (retval == 0)
243        info(DRIVER_VERSION ":" DRIVER_DESC);
244    return retval;
245}
246
247static void __exit usb_mouse_exit(void)
248{
249    usb_deregister(&usb_mouse_driver);
250}
251
252module_init(usb_mouse_init);
253module_exit(usb_mouse_exit);

View Code

2.3其它概念-HUB概念-USB描述符概念

3、USB设备驱动代码框架分析

以上属于平台设备“总线-设备-驱动”模型；

可以百度下--驱动程序分层分离概念

以上是总线设备驱动模型；

当接上一个 USB 设备时，就会产生一个中断（hub_irq（）） ,在中断里会分配一个编
号地址(choose_address（udev） )。
再然后把这个地址告诉 USB 设备(hub_set_address（） )。
接着发出各种命令获取 USB 设备的“设备描述符” (usb_get_device_descriptor
（） )。
再然后注册一个 device(device_add（） )。这个被注册的 device 会被放到 USB 总线
（usb_bus_type）的“设备链表”。并且会从总线（usb_bus_type）的“驱动链表”中取
出"usb_driver" - USB 设备驱动结构，把 usb_interface 和 usb_driver 的 id_table 比
较，若能匹配就去调用“usb_driver”结构中的“.probe”函数。 --接着可以在probe函数实现自己想要的功能

4、实现一个简单的USB鼠标驱动代码分析

4.1 USB 总线驱动程序，在接入 USB 设备时，会帮我们构造一个新的 usb_dev 注册到“usb_bus_type”里去。这部分是内核做好的。

4.2 我们要做的是，构造一个 usb_driver 结构体，注册到“usb_bus_type”中去。在“usb_driver”结构体中有“id_table”表示他能支持哪些设备，

4.3 .match。当 USB 设备能匹配 id_table 中某一个设备时，就会调用我们构造的_____“usb_driver”结构体中的“.probe” (自已确定在 probe 中做的事情)等函数，如当拔掉_____

_____USB 设备时，就会调用其中的“.disconnect”函数

5、现在要实现的是：

USB 鼠标用作按键： (相当于输入子系统)。
左键 -- L
右键 -- S
中键 -- Enter

代码框架：

1#include <linux/kernel.h>
2#include <linux/slab.h>
3#include <linux/module.h>
4#include <linux/init.h>
5#include <linux/usb/input.h>
6#include <linux/hid.h>
7//
8static struct usb_device_id usbmouse_as_key_id_table [] = {
9    { USB_INTERFACE_INFO(USB_INTERFACE_CLASS_HID, USB_INTERFACE_SUBCLASS_BOOT,
10        USB_INTERFACE_PROTOCOL_MOUSE) },
11    //{USB_DEVICE(0x1234,0x5678)},
12    { }    /* Terminating entry */
13};
14
15
16static int usbmouse_as_key_probe(struct usb_interface *intf, const struct usb_device_id *id)
17{
18    printk("found usbmouse!\n");
19    return 0;
20}
21
22static void usbmouse_as_key_disconnect(struct usb_interface *intf)
23{
24    printk("disconnect usbmouse!\n");
25}
26
27/* 1.分配设置usb_driver */
28static struct usb_driver usbmouse_as_key_driver = {
29    .name        = "usbmouse_as_key_",
30    .probe        = usbmouse_as_key_probe,
31    .disconnect    = usbmouse_as_key_disconnect,
32    .id_table    = usbmouse_as_key_id_table,
33};
34
35
36static int usbmouse_as_key_init(void)
37{
38    /* 2.注册 */
39    usb_register(&usbmouse_as_key_driver);
40    return 0;
41}
42
43static void usbmouse_as_key_exit(void)
44{
45    usb_deregister(&usbmouse_as_key_driver);    
46}
47
48module_init(usbmouse_as_key_init);
49module_exit(usbmouse_as_key_exit);
50
51MODULE_LICENSE("GPL");

View Code

接着填充usb_driver 里面的函数，
5.1 id_table：

1#define USB_INTERFACE_INFO(cl,sc,pr) \
2    .match_flags = USB_DEVICE_ID_MATCH_INT_INFO, .bInterfaceClass = (cl), \
3    .bInterfaceSubClass = (sc), .bInterfaceProtocol = (pr)".match_flags"：表示要匹配“设备描述符”中的哪一项。“USB_DEVICE_ID_MATCH_INT_INFO”： INT 是接口意思， INT_INFO 就是指接口的信息。接口的信息就在“接口描述符”里。“.bInterfaceClass”：只要“接口描述符”里的“类”是（cl）。“.bInterfaceSubClass”：子类是 (sc) 。“.bInterfaceProtocol”：协议是 (pr) 。

所以，鼠标mouse接口描述符里类是--HID类，子类--boot，协议--mouse 这个id_table能支持

5.1 usbmouse_as_key_probe函数：

1static int usbmouse_as_key_probe(struct usb_interface *intf, const struct usb_device_id *id)
2{
3    struct usb_device *dev = interface_to_usbdev(intf);
4    struct usb_host_interface *interface;
5    struct usb_endpoint_descriptor *endpoint;
6    int pipe;
7    
8    interface = intf->cur_altsetting;
9    endpoint = &interface->endpoint[0].desc;
10
11    /* a. 分配一个input_dev */
12    uk_dev = input_allocate_device();
13    
14    /* b. 设置 */
15    /* b.1 能产生哪类事件 */
16    set_bit(EV_KEY, uk_dev->evbit);
17    set_bit(EV_REP, uk_dev->evbit);
18    
19    /* b.2 能产生哪些事件 */
20    set_bit(KEY_L, uk_dev->keybit);
21    set_bit(KEY_S, uk_dev->keybit);
22    set_bit(KEY_ENTER, uk_dev->keybit);
23    
24    /* c. 注册 */
25    input_register_device(uk_dev);
26    
27    /* d. 硬件相关操作 */
28    /* 数据传输3要素: 源,目的,长度 */
29    /* 源: USB设备的某个端点 */
30    pipe = usb_rcvintpipe(dev, endpoint->bEndpointAddress);
31
32    /* 长度: */
33    len = endpoint->wMaxPacketSize;
34
35    /* 目的: */
36    usb_buf = usb_buffer_alloc(dev, len, GFP_ATOMIC, &usb_buf_phys);
37
38    /* 使用"3要素" */
39    /* 分配usb request block */
40    uk_urb = usb_alloc_urb(0, GFP_KERNEL);
41    /* 使用"3要素设置urb" */
42    usb_fill_int_urb(uk_urb, dev, pipe, usb_buf, len, usbmouse_as_key_irq, NULL, endpoint->bInterval);
43    uk_urb->transfer_dma = usb_buf_phys;
44    uk_urb->transfer_flags |= URB_NO_TRANSFER_DMA_MAP;
45
46    /* 使用URB */
47    usb_submit_urb(uk_urb, GFP_KERNEL);
48    
49    return 0;
50}

Linux下 USB设备驱动分析（原创）

Linux platform平台总线、平台设备、平台驱动

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