Linux USB驱动程序设计

1. USB发展史

USB(Universal Serial Bus )，通用串行总线，是一种外部总线标准，用于规范电脑与外部设备的连接和通讯。

USB是在1994年底由英特尔、康柏、IBM、Microsoft等多家公司联合提出的，自1996年推出后，已成功替代串口和并口，成为当今个人电脑和大量智能设备的必配接口之一。

•USB 1.0出现在1996年的，速度只有1.5Mb/s1998年升级为USB 1.1，速度也提升到12Mb/s，称之为”full speed”

•USB 2.0规范是由USB1.1规范演变而来的。它的传输速率达到了480Mbps，称之为”high speed”

•USB 3.0提供了十倍于USB 2.0的传输速度和更高的节能效率，被称为”super speed”

2. USB信号线



3. USB系统拓扑结构





对于每个USB系统来说，都有一个称为主机控制器的设备，该控制器和一个根Hub作为一个整体。这个根Hub下可以接多级的Hub，每个子Hub又可以接子Hub。每个USB设备作为一个节点接在不同级别的Hub上。每条USB总线上最多可以接127个设备。

常见的USB主控制器规格有：

OHCI：主要是非PC系统上的USB芯片

UHCI：大多是Intel和Via主板上的USB控制器芯片。他们都是由USB1.1规格的。

EHCI是有Intel等几个厂商研发，兼容OHCI 、UHCI ，遵循USB2.0规范。

2. USB协议分析



在USB设备的逻辑组织中，包含设备、配置、接口和端点4个层次。设备通常有一个或者多个配置，配置通常有一个或多个接口，接口有0或多个端点。



设备逻辑结构：

每个USB设备都可以包含一个或多个配置，不同的配置使设备表现出不同的功能组合，配置有多个接口组成，在USB协议中，接口代表一个基本的功能，一个功能复杂的USB设备可以具有多个接口，而接口是端点的汇集。

一个USB播放器带有音频，视频功能，还有旋钮和按钮。

配置1：音频（接口）+ 旋钮（接口）

配置2：视频（接口）+ 旋钮（接口）

配置3：音频（接口）+ 视频（接口） + 按钮（接口）

音频接口，视频接口，按钮接口， 旋钮接口均需要一个驱动程序。

USB设备中的唯一可寻址的部分是设备端点，端点的作用类似于寄存器。每个端点在设备内部有唯一的端点号，这个端点号是在设备设计时给定的。主机和设备的通信最终都作用于设备上的各个端点。每个端点所支持的操作都是单向的，要么只读，要么只写。

USB描述符

当我们把USB设备插到我们的PC时，主机能够自动识别出我们的USB设备类型？？？

在每一个USB设备内部，包含的固定格式的数据，通过这些数据，USB主机就可以获取USB设备的类型、生产厂商等信息。这些固定格式的数据我们就称之为USB描述符。标准的USB设备有5种USB描述符：

设备描述符、配置描述符、接口描述符、端点描述符、字符串描述符

一个USB设备只有一个设备描述符，设备描述符长度为18个字节，



USB配置描述符长度为8个字节，格式可以百度得到，这里介绍每个字节的的含义



接口描述符8个字节



usb端点描述符：



2 USB数据通讯：

2.1. 通讯模型



2.2. 传输

USB的数据通讯首先是基于传输（Transfer）的，传输的类型有：中断传输，批量传输，同步传输，控制传输

2.3. 事物

一次传输由一个或多个事物（Transaction）构成，事务可分为：In 事务，Out事务，Setup事务

2.4. 包

一个事务由一个或多个包构成，包可分为：令牌包（setup）、数据包（data）、握手包（ACK）和特殊包

2.5. 域

一个包由多个域构成，域可分为：同步域（SYNC），标识域（PID），地址域，端点域（ENDP）,帧号（FRAM），数据域（DATA），校验域（CRC）。

3. USB设备枚举

USB设备在正常工作以前, 第一件要做的事就是枚举。枚举是让主机认得这个USB设备, 并且为该设备准备资源，建立好主机和设备之间的数据传递通道。



这里展示一个USB抓包工具抓的鼠标USB 数据包



下面来介绍USB软件系统架构





上面两个框框代表了两种USB架构模型 第一种是比如开发板上通过USB挂载U盘，第二种是开发板直接通过usb连PC机,通过配置内核选项可以将USB接口模拟网口与PC机进行通信！

USB驱动程序设计

1. USB驱动模型





USB设备包括配置、接口和端点，一个USB设备驱动程序对应一个USB接口，而非整个USB设备

在Linux内核中，使用struct usb_driver结构描述一个USB驱动



2. URB

        2.1 URB通讯模型

          


       USB请求块（USB request block-URB）是USB设备驱动中用来与USB设备通信所用的基本载体和核心数据结            构，非常类似于网络设备驱动中的sk_buff结构体，是USB主机与设备通信的“电波”。

       1. USB 设备驱动程序创建并初始化一个访问特定端点的urb，并提交给USB core；

         2. USB core提交该urb到USB主控制器驱动程序；

           3. USB 主控制器驱动程序根据该urb描述的信息，来访问USB设备；

             4. 当设备访问结束后，USB 主控制器驱动程序通知USB 设备驱动程序。

        2.2 创建URB

         struct urb *usb_alloc_urb(int iso_packets, gfp_t mem_flags)

        参数：

                 iso_packets：urb所包含的等时数据包的个数。

                 mem_flags：内存分配标识(如GFP_KERNEL)，参考kmalloc。

        2.3 初始化URB

          


        2.4 提交URB

       在完成urb的创建和初始化后，USB驱动需要将urb提交给USB核心. 

      int usb_submit_urb(struct urb *urb, gfp_t mem_flags)

      参数：

              urb：要提交urb的指针

             mem_flags: 内存分配标识(如GFP_KERNEL)，参考kmalloc

      URB被提交到USB核心后，USB核心指定usb主控制器驱动程序来处理该urb，处理完之后，urb完成函数将被调用

3. HID协议

HID(Human Interface Device)， 属于人机交互类的设备，如USB鼠标，USB键盘，USB游戏操纵杆等。该类设备必须

遵循HID设计规范。

4. 鼠标驱动分析

/*
* Copyright (c) 1999-2001 Vojtech Pavlik
*
* USB HIDBP Mouse support
*/

/*
* This program is free software; you can redistribute it and/or modify
* it under the terms of the GNU General Public License as published by
* the Free Software Foundation; either version 2 of the License, or
* (at your option) any later version.
*
* This program is distributed in the hope that it will be useful,
* but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
* MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE. See the
* GNU General Public License for more details.
*
*/

#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>

/* for apple IDs */
#ifdef CONFIG_USB_HID_MODULE
#include "../hid-ids.h"
#endif

/*
* Version Information
*/
#define DRIVER_VERSION "v1.6"
#define DRIVER_AUTHOR "Vojtech Pavlik <vojtech@ucw.cz>"
#define DRIVER_DESC "USB HID Boot Protocol mouse driver"
#define DRIVER_LICENSE "GPL"

MODULE_AUTHOR(DRIVER_AUTHOR);
MODULE_DESCRIPTION(DRIVER_DESC);
MODULE_LICENSE(DRIVER_LICENSE);

struct usb_mouse {
char name[128];
char phys[64];
struct usb_device *usbdev;
struct input_dev *dev;
struct urb *irq;

signed char *data;
dma_addr_t data_dma;
};

static void usb_mouse_irq(struct urb *urb)
{
struct usb_mouse *mouse = urb->context;
signed char *data = mouse->data;
struct input_dev *dev = mouse->dev;
int status;

/* 检测urb传输是否成功 */
switch (urb->status) {
case 0: /* success */
break;
case -ECONNRESET: /* unlink */
case -ENOENT:
case -ESHUTDOWN:
return;
/* -EPIPE: should clear the halt */
default: /* error */
goto resubmit;
}

/* 报告按键状态 */
input_report_key(dev, BTN_LEFT, data[0] & 0x01);
input_report_key(dev, BTN_RIGHT, data[0] & 0x02);
input_report_key(dev, BTN_MIDDLE, data[0] & 0x04);
input_report_key(dev, BTN_SIDE, data[0] & 0x08);
input_report_key(dev, BTN_EXTRA, data[0] & 0x10);

input_report_rel(dev, REL_X, data[1]);
input_report_rel(dev, REL_Y, data[2]);
input_report_rel(dev, REL_WHEEL, data[3]);

input_sync(dev);
resubmit:
/* 提交下次传输 */
status = usb_submit_urb (urb, GFP_ATOMIC);
if (status)
err ("can't resubmit intr, %s-%s/input0, status %d",
mouse->usbdev->bus->bus_name,
mouse->usbdev->devpath, status);
}

static int usb_mouse_open(struct input_dev *dev)
{
struct usb_mouse *mouse = input_get_drvdata(dev);

mouse->irq->dev = mouse->usbdev;
if (usb_submit_urb(mouse->irq, GFP_KERNEL))
return -EIO;

return 0;
}

static void usb_mouse_close(struct input_dev *dev)
{
struct usb_mouse *mouse = input_get_drvdata(dev);

usb_kill_urb(mouse->irq);
}

static int usb_mouse_probe(struct usb_interface *intf, const struct usb_device_id *id)
{
/* 设备描述 usb_device */
/* 接口描述 usb_interface */
struct usb_device *dev = interface_to_usbdev(intf);

/* 接口设置描述 */
struct usb_host_interface *interface;

/* 端点描述符 */
struct usb_endpoint_descriptor *endpoint;

struct usb_mouse *mouse;
struct input_dev *input_dev;
int pipe, maxp;
int error = -ENOMEM;

/* 获取当前接口设置 */
interface = intf->cur_altsetting;

　　 /* 根据HID规范，鼠标只有一个端点（不包含0号控制端点）*/
if (interface->desc.bNumEndpoints != 1)
return -ENODEV;

/* 获取端点0描述符 */
endpoint = &interface->endpoint[0].desc;

/* 根据HID规范，鼠标唯一的端点应为中断端点 */
if (!usb_endpoint_is_int_in(endpoint))
return -ENODEV;

/* 生成中断管道 */
pipe = usb_rcvintpipe(dev, endpoint->bEndpointAddress);

/* 返回该端点能够传输的最大的包长度，鼠标的返回的最大数据包为4个字节。*/
maxp = usb_maxpacket(dev, pipe, usb_pipeout(pipe));

/* 创建input设备 */
mouse = kzalloc(sizeof(struct usb_mouse), GFP_KERNEL);
input_dev = input_allocate_device();
if (!mouse || !input_dev)
goto fail1;

/* 申请内存空间用于数据传输，data 为指向该空间的地址*/
mouse->data = usb_buffer_alloc(dev, 8, GFP_ATOMIC, &mouse->data_dma);
if (!mouse->data)
goto fail1;

/* 分配URB */
mouse->irq = usb_alloc_urb(0, GFP_KERNEL);
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 用来获取 USB 设备在 Sysfs 中的路径*/
usb_make_path(dev, mouse->phys, sizeof(mouse->phys));

strlcat(mouse->phys, "/input0", sizeof(mouse->phys));

/* 字符设备初始化 */
input_dev->name = mouse->name;
input_dev->phys = mouse->phys;
usb_to_input_id(dev, &input_dev->id);
input_dev->dev.parent = &intf->dev;

input_dev->evbit[0] = BIT_MASK(EV_KEY) | BIT_MASK(EV_REL);
input_dev->keybit[BIT_WORD(BTN_MOUSE)] = BIT_MASK(BTN_LEFT) |
BIT_MASK(BTN_RIGHT) | BIT_MASK(BTN_MIDDLE);
input_dev->relbit[0] = BIT_MASK(REL_X) | BIT_MASK(REL_Y);
input_dev->keybit[BIT_WORD(BTN_MOUSE)] |= BIT_MASK(BTN_SIDE) |
BIT_MASK(BTN_EXTRA);
input_dev->relbit[0] |= BIT_MASK(REL_WHEEL);

input_set_drvdata(input_dev, mouse);

input_dev->open = usb_mouse_open;
input_dev->close = usb_mouse_close;

/* 初始化中断URB */
/* 思考实验：将interval参数设置为1分钟，观察现象 */
usb_fill_int_urb(mouse->irq, dev, pipe, mouse->data,
(maxp > 8 ? 8 : maxp),
usb_mouse_irq, mouse, endpoint->bInterval);
mouse->irq->transfer_dma = mouse->data_dma;
mouse->irq->transfer_flags |= URB_NO_TRANSFER_DMA_MAP;

error = input_register_device(mouse->dev);
if (error)
goto fail3;

/*将mouse指针保存到intf的dev成员中*/
usb_set_intfdata(intf, mouse);
return 0;

fail3:
usb_free_urb(mouse->irq);
fail2:
usb_buffer_free(dev, 8, mouse->data, mouse->data_dma);
fail1:
input_free_device(input_dev);
kfree(mouse);
return error;
}

static void usb_mouse_disconnect(struct usb_interface *intf)
{
struct usb_mouse *mouse = usb_get_intfdata (intf);

usb_set_intfdata(intf, NULL);
if (mouse) {
usb_kill_urb(mouse->irq);
input_unregister_device(mouse->dev);
usb_free_urb(mouse->irq);
usb_buffer_free(interface_to_usbdev(intf), 8, mouse->data, mouse->data_dma);
kfree(mouse);
}
}

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

MODULE_DEVICE_TABLE (usb, usb_mouse_id_table);

static struct usb_driver usb_mouse_driver = {
.name = "usbmouse", /* 驱动名 */
.probe = usb_mouse_probe, /* 捕获函数 */
.disconnect = usb_mouse_disconnect, /* 卸载函数 */
.id_table = usb_mouse_id_table, /* 设备列表 */
};

static int __init usb_mouse_init(void)
{
/* 注册鼠标驱动程序 */
int retval = usb_register(&usb_mouse_driver);
if (retval == 0)
printk(KERN_INFO KBUILD_MODNAME ": " DRIVER_VERSION ":"
DRIVER_DESC "\n");
return retval;
}

static void __exit usb_mouse_exit(void)
{
usb_deregister(&usb_mouse_driver);
}

module_init(usb_mouse_init);
module_exit(usb_mouse_exit);
鼠标驱动总结：
鼠标是一个USB设备 usb设备驱动就是urb的创建、初始化、提交到usb_core

同时鼠标设备还是一个输入设备， 输入设备就包括注册、上报， 其中还有一个HID鼠标规范协议

这里小总结一下：

USB模型模型分为三个部分：USB主控制器驱动、USB核心、USB设备驱动，而整个USB驱动是围绕URB来进行的。

前面用到的dnw驱动源码 dnw_usb.c

#include <linux/module.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/usb.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/uaccess.h>
#include <linux/slab.h>

#define BULKOUT_BUFFER_SIZE 512
char *bulkout_buffer;
struct usb_device *udev;
__u8 bulk_out_endaddr;

static struct usb_device_id dnw_id_table [] = {
{ USB_DEVICE(0x5345, 0x1234) },
{ }
};

static int dnw_open(struct inode* inode, struct file *file)
{
bulkout_buffer = kmalloc(BULKOUT_BUFFER_SIZE,GFP_KERNEL);
return 0;
}

static int dnw_release (struct inode* inode, struct file *file)
{
kfree(bulkout_buffer);
return 0;
}

static ssize_t dnw_write(struct file *file, const char __user *buf, size_t len, loff_t *pos)
{
size_t to_write;
size_t total_write = 0;
size_t act_len;

while(len>0)
{
to_write = min(len,(size_t)BULKOUT_BUFFER_SIZE);

copy_from_user(bulkout_buffer,buf+total_write,to_write);

usb_bulk_msg(udev,usb_sndbulkpipe(udev,bulk_out_endaddr),bulkout_buffer,to_write,&act_len,3*HZ);

len -= to_write;
total_write += to_write;
}

return total_write;
}

static struct file_operations dnw_ops =
{
.owner = THIS_MODULE,
.write = dnw_write,
.open = dnw_open,
.release = dnw_release,
};

static struct usb_class_driver dnw_class = {
.name = "secbulk%d",
.fops = &dnw_ops,
.minor_base = 100,
};

static int dnw_probe(struct usb_interface *intf, const struct usb_device_id *id)
{
/* 接口设置描述 */
struct usb_host_interface *interface;
struct usb_endpoint_descriptor *endpoint;
int i;

interface = intf->cur_altsetting;

for(i=0;i<interface->desc.bNumEndpoints;i++)
{
endpoint = &interface->endpoint[i].desc;
if(usb_endpoint_is_bulk_out(endpoint))
{
bulk_out_endaddr = endpoint->bEndpointAddress;
break;
}

}

usb_register_dev(intf,&dnw_class);

udev = usb_get_dev(interface_to_usbdev(intf));

}

static void dnw_disconnect(struct usb_interface *intf)
{
usb_deregister_dev(intf,&dnw_class);
}

struct usb_driver dnw_driver = {
.name = "dnw", /* 驱动名 */
.probe = dnw_probe, /* 捕获函数 */
.disconnect = dnw_disconnect, /* 卸载函数 */
.id_table = dnw_id_table, /* 设备列表 */
};

int dnw_init()
{
usb_register(&dnw_driver);
return 0;
}

void dnw_exit()
{
usb_deregister(&dnw_driver);
}

module_init(dnw_init);
module_exit(dnw_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");

应用程序dnw.c
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <malloc.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h>

const char* dev = "/dev/dnw0";

int main(int argc, char* argv[])
{
unsigned char* file_buffer = NULL;

long int addr = 0;

if( 3 != argc ) {
printf("Usage: dwn <filename> address\n");
return 1;
}

int fd = open(argv[1], O_RDONLY);
if(-1 == fd) {
printf("Can not open file - %s\n", argv[1]);
return 1;
}
addr = strtol((char *) argv[2] ,NULL, 16);

printf("addr = %x \n", addr);

// get file size
struct stat file_stat;
if( -1 == fstat(fd, &file_stat) ) {
printf("Get file size filed!\n");
return 1;
}

file_buffer = (unsigned char*)malloc(file_stat.st_size+10);
if(NULL == file_buffer) {
printf("malloc failed!\n");
goto error;
}
//memset(file_buffer, '\0', sizeof(file_buffer)); // bad code ! corrected by Qulory
memset(file_buffer, '\0', sizeof(char)*(file_stat.st_size+10));

// the first 8 bytes in the file_buffer is reserved, the last 2 bytes also;
if( file_stat.st_size != read(fd, file_buffer+8, file_stat.st_size)) {
printf("Read file failed!\n");
goto error;
}

printf("File name : %s\n", argv[1]);
printf("File size : %ld bytes\n", file_stat.st_size);// off_t is long int

int fd_dev = open(dev, O_WRONLY);
if( -1 == fd_dev) {
printf("Can not open %s\n", dev);
goto error;
}

/*
* Note: the first 4 bytes store the dest addr ;
* the following 4 bytes store the file size ;
* and the last 2 bytes store the sum of each bytes of the file ;
*/
*((unsigned long*)file_buffer) = addr; //load address
*((unsigned long*)file_buffer+1) = file_stat.st_size+10; //file size
unsigned short sum = 0;
int i;
for(i=8; i<file_stat.st_size+8; i++) {
sum += file_buffer[i];
}

*((unsigned short*)(file_buffer+8+file_stat.st_size)) = sum;

printf("Start Sending data...\n");
size_t remain_size = file_stat.st_size+10;
size_t block_size = 512;
size_t written = 0;
while(remain_size > 0) {
size_t to_write = remain_size > block_size ? block_size:remain_size;
size_t real_write = write(fd_dev, file_buffer+written, to_write);
if( to_write != real_write) {
printf(" write /dev/secbulk0 failed! to_write = %u real_write = %u \n" , to_write ,real_write );
return 1;
}
remain_size -= to_write;
written += to_write;
printf("\rSent %lu%% \t %u bytes !", written*100/(file_stat.st_size+10), written);
fflush(stdout);

}

printf("OK\n");
return 0;

error:
if(-1 != fd_dev) {
close(fd_dev);
}
if(fd != -1) {
close(fd);
}
if( NULL != file_buffer ) {
free(file_buffer);
}
return -1;
}


这个usb驱动和应用程序可以通过虚拟机用来下载文件到开发板！前面的的uboot课程有演示这里就不贴效果图了！