Linux USB 设备驱动模型

Linux 内核源码：include\linux\usb.h
Linux 内核源码：drivers\hid\usbhid\usbmouse.c

1. BUS/DEV/DRV 模型

"USB 接口"是逻辑上的 USB 设备，编写的 usb_driver 驱动程序，支持的是"USB 接口"：

• USB 控制器或 Hub 识别出 USB 设备后，会创建、注册 usb_device

• usb_device 被"drivers\usb\core\generic.c" 驱动认领后，会选择、设置某个配置

• 这个配置下面的接口，都会分配、设置、注册一个 usb_interface

• 左边的 usb_driver 和右边的 usb_interface 如果匹配，则调用 usb_driver.probe

2. 接口函数

在 USB 设备驱动程序中，能使用的 USB 函数都在这个头文件里：include\linux\usb.h。

2.1 pipe

使用这些接口函数的主要目的是传输数据，传输数据的对象是 USB 设备里的某个 endpoint，这被称为 pipe：

/*Createvariouspipes...*/
#defineusb_sndctrlpipe(dev,endpoint)\
((PIPE_CONTROL<<30)|__create_pipe(dev,endpoint))
#defineusb_rcvctrlpipe(dev,endpoint)\
((PIPE_CONTROL<<30)|__create_pipe(dev,endpoint)|USB_DIR_IN)
#defineusb_sndisocpipe(dev,endpoint)\
((PIPE_ISOCHRONOUS<<30)|__create_pipe(dev,endpoint))
#defineusb_rcvisocpipe(dev,endpoint)\
((PIPE_ISOCHRONOUS<<30)|__create_pipe(dev,endpoint)|USB_DIR_IN)
#defineusb_sndbulkpipe(dev,endpoint)\
((PIPE_BULK<<30)|__create_pipe(dev,endpoint))
#defineusb_rcvbulkpipe(dev,endpoint)\
((PIPE_BULK<<30)|__create_pipe(dev,endpoint)|USB_DIR_IN)
#defineusb_sndintpipe(dev,endpoint)\
((PIPE_INTERRUPT<<30)|__create_pipe(dev,endpoint))
#defineusb_rcvintpipe(dev,endpoint)\
((PIPE_INTERRUPT<<30)|__create_pipe(dev,endpoint)|USB_DIR_IN)

2.2 同步传输函数

对于控制传输、批量传输、中断传输，有 3 个同步函数可以用来直接发起传输。这些函数内部会创建、填充、提交一个 URB("usb request block")，并等待它完成或超时。

函数原型如下：

intusb_control_msg(structusb_device*dev,unsignedintpipe,__u8request,
__u8requesttype,__u16value,__u16index,void*data,
__u16size,inttimeout);

intusb_bulk_msg(structusb_device*usb_dev,unsignedintpipe,
void*data,intlen,int*actual_length,inttimeout);

intusb_interrupt_msg(structusb_device*usb_dev,unsignedintpipe,
void*data,intlen,int*actual_length,inttimeout);

2.3 异步传输函数

使用 URB 进行传输时，它是异步方式：需要先分配、构造、提交一个 URB("usb request block")，当传输完成后，它的回调函数被调用。

关键就在于需要填充 URB：

• dev：跟谁传输数据
• pipe：跟哪个 pipe 传输数据
• buffer：里面存有要发送的数据，或者用来接收要读取的数据
• 数据长度
• 回调函数

函数原型如下：

structurb*usb_alloc_urb(intiso_packets,gfp_tmem_flags);

voidusb_free_urb(structurb*urb);

发起 USB 传输时，数据保存在 buffer 里。这个 buffer 可以是一般的 buffer，也可以是 DMA Buffer。

对于一般的 buffer，在提交 URB 时会临时分配一个 DMA Buffer：

• 发送数据时：函数内部会先从一般 buffer 中把数据复制到 DMA Buffer，在提交给 USB 控制器
• 读取数据时：USB 控制器先把数据传到 DMA Buffer，函数内部在把 DMA Buffer 的数据复制到一般 buffer
• 中间增加了一次数据的拷贝，效率低

我们可以直接使用 DMA Buffer，函数原型如下：

void*usb_alloc_coherent(structusb_device*dev,size_tsize,gfp_tmem_flags,dma_addr_t*dma);

voidusb_free_coherent(structusb_device*dev,size_tsize,void*addr,dma_addr_tdma);

对于控制传输、批量传输、中断传输，分别有如下函数：

staticinlinevoidusb_fill_control_urb(structurb*urb,
structusb_device*dev,
unsignedintpipe,
unsignedchar*setup_packet,
void*transfer_buffer,
intbuffer_length,
usb_complete_tcomplete_fn,
void*context);

staticinlinevoidusb_fill_bulk_urb(structurb*urb,
structusb_device*dev,
unsignedintpipe,
void*transfer_buffer,
intbuffer_length,
usb_complete_tcomplete_fn,
void*context);

staticinlinevoidusb_fill_int_urb(structurb*urb,
structusb_device*dev,
unsignedintpipe,
void*transfer_buffer,
intbuffer_length,
usb_complete_tcomplete_fn,
void*context,
intinterval);

如果 URB 使用 DMA Buffer，那么还需要设置一个 flag 表明这点：

urb->transfer_dma=DMAaddressofbuffer;//usb_alloc_coherent的输出参数
urb->transfer_flags|=URB_NO_TRANSFER_DMA_MAP;

构造好 URB 后，需要提交到 USB 系统里，才能启动传输。

intusb_submit_urb(structurb*urb,gfp_tmem_flags);

已经提交的 URB，可以取消它，有 2 个函数：

• usb_kill_urb：这是一个同步函数，它会等待 URB 结束
• usb_unlink_urb：这是一个异步函数，它不会等待 URB 结束，USB 控制器驱动会调用它的回调函数

voidusb_kill_urb(structurb*urb);

intusb_unlink_urb(structurb*urb);