java热插拔架构常见的热插拔设备

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西门吹雪 2024-05-16 07:27:40

文章标签 java热插拔架构驱动开发 linux 热插拔上拉电阻 文章分类 Java 后端开发

学习USB热插拔之前，先学习一些USB的硬件知识。

一、USB基础概念

1、硬件知识（USB插座和插头）

在最初的标准里，USB接头有4条线：电源，D-,D+,地线。我们暂且把这样的叫做标准的USB接头吧。后来OTG出现了，又增加了miniUSB接头。而miniUSB接头则有5条线，多了一条ID线,用来标识身份用的。标准USB口只有A型和B型。其中每一型又分为插头和插座，例如A型插头，A型插座等。我们平常电脑上用的那种插座叫做A型USB插座，而相应的插头，叫做A型插头，例如U盘上那种。而像打印机上面那个插座，则是B型插座(比较四方的，没电脑上面那种扁)，相应的插头，就是B型插头。也许你见过一头方一头扁的USB延长线，没错了，扁的那头就叫做A型插头，而方的那头，就叫做B型插头，而相应的被插的那两个插座，就分别是A型插座和B型插座了。A型插头是插不进B型插座的，反之亦然。

miniUSB也分为A型，B型，但增加了一个AB型。既然它叫做miniUSB,那么当然它就是很小的了，主要是给便携式设备用的，例如MP3、手机、数码相机等。USB是一主多从结构，即一个时刻只能有一台主机。像PC机就是一个主机，其它的只能是设备，因而两个设备之间是无法直接进行通信的。而USB OTG(on the go)的出现，则解决了这个矛盾：一个设备可以在某种场合下，改变身份，以主机的形式出现。因而就出现了AB型的miniUSB插座，不管是A型miniUSB插头，还是B型miniUSB插头，都可以插进去，而靠里面多出的那条ID线来识别它的身份：是主机还是从机。这样两个USB设备就可以直接连接起来，进行数据传送了。像我们MP3上用的那中miniUSB插座，就是B型的miniUSB插座。由于USB是支持热插拔的，因此它在接头的设计上也有相应的措施。USB插头的地引脚和电源引脚比较长，而两个数据引脚则比较短，这样在插入到插座中时，首先接通电源和地，然后再接通两个数据线。这样就可以保证电源在数据线之前接通，防止闩锁发生。至于USB电缆，通常我们不怎么关心，买现成的就行了，除非你是生产USB线缆的。在全速模式下需要使用带屏蔽的双绞电缆线，而低速模式则可以不用屏蔽和双绞。此外，USB协议规定，USB低速电缆长度不得超过3米，而全速电缆长度不得超过5米。这是因为线缆传输有延迟，要保证能够正确响应，就不能延迟太多。USB标准规定了里面信号线的颜色，其中Vbus为红色，D-为白色，D+为绿色，GND为黑色。然而，我见过很多USB线缆并没有遵循标准，所以大家在使用时要小心，用表测量一下比较可靠。

2、集线器把USB设备的连接报告给USB主控制器

首先，在USB集线器的每个下游端口的D+和D-上，分别接了一个15K欧姆的下拉电阻到地。这样，在集线器的端口悬空时，就被这两个下拉电阻拉到了低电平。而在USB设备端，在D+或者D-上接了1.5K欧姆上拉电阻。对于全速和高速设备，上拉电阻是接在D+上；而低速设备则是上拉电阻接在D-上。这样，当设备插入到集线器时，由1.5K的上拉电阻和15K的下拉电阻分压，结果就将差分数据线中的一条拉高了。集线器检测到这个状态后，它就报告给USB主控制器（或者通过它上一层的集线器报告给USB主控制器），这样就检测到设备的插入了。USB高速设备先是被识别为全速设备，然后通过HOST和DEVICE两者之间的确认，再切换到高速模式的。在高速模式下，是电流传输模式，这时将D+上的上拉电阻断开。

二、什么是热插拔

1、基础概念

热插拔（hot-plugging或Hot Swap）即带电插拔，热插拔功能就是允许用户在不关闭系统，不切断电源的情况下取出和更换损坏的硬盘、电源或板卡等部件，从而提高了系统对灾难的及时恢复能力、扩展性和灵活性等。

2、热插拔好处

系统中加入热插拔的好处包括：

在系统开机情况下将损坏的模块移除，还可以在开机情况下做更新或扩容而不影响系统操作。

由于热插拔零件的可靠度提升，还可以将它们用做断电器，而且因为热插拔能够自动恢复，有很多热插拔芯片为系统提供线路供电情况的信号，以便系统做故障分析，因此减少了成本。

三、Linux 下USB热插拔处理

1、 Linux下USB HUB的驱动的实现和分析：

在系统初始化的时候在usb_init函数中调用usb_hub_init函数，就进入了hub的初始化。

在usb_hub_init函数中完成了注册hub驱动，并且利用函数kthread_run创建一个内核线程。该线程用来管理监视hub的状态，所有的情况都通过该线程来报告。

USB设备是热插拔，这就和PCI设备不同，PCI设备是在系统启动的时候都固定了，因此PCI设备只需要初始化进行枚举就可以了，采用递归算法即可。而USB设备需要热插拔，因此在hub_probe函数中调用hub_configure函数来配置hub，在这个函数中主要是利用函数usb_alloc_urb函数来分配一个urb，利用usb_fill_int_urb来初始化这个urb结构，包括hub的中断服务程序hub_irq的，查询的周期等。

每当有设备连接到USB接口时，USB总线在查询hub状态信息的时候会触发hub的中断服务程序hub_irq,在该函数中利用kick_khubd将hub结构通过event_list添加到khubd的队列hub_event_list，然后唤醒khubd。进入hub_events函数，该函数用来处理khubd事件队列，从khubd的hub_event_list中的每个usb_hub数据结构。该函数中首先判断hub是否出错，然后通过一个for循环来检测每个端口的状态信息。利用usb_port_status获取端口信息，如果发生变化就调用hub_port_connect_change函数来配置端口等。

2、软件层次分析

这里我们先讲讲USB热插拔事件的处理工作。---Khubd守护进程。

Khubd守护进程用来检查usb port的事件通知HCD和usb core，然后做相应的处理。

驱动目录drivers/usb/*
usb/serial usb 串行设备驱动（例如usb 3G卡、蓝牙等）
usb/storage usb 大储量磁盘驱动（u盘）
usb/host usb host usb主机控制器驱动（嵌入式otg：dwc_otg）
usb/core usb 核心一些处理代码，所有的驱动相关处理都在这里，也都注册到它里面。
usb/usb-skeleton.c 经典的usb客户驱动框架，可以参考

当然还有其他这里不再说明。

下面贴出USB的整体驱动框架：

java热插拔架构常见的热插拔设备_java热插拔架构

这里我们主要分析khub的工作原理：硬件层次是hub的工作，如何和host及其设备间通信及相应事件

[usb/core/hub.c ]

int usb_hub_init(void)
{
	if (usb_register(&hub_driver) < 0) {
		printk(KERN_ERR "%s: can't register hub driver\n",
			usbcore_name);
		return -1;
	}
 
	khubd_task = kthread_run(hub_thread, NULL, "khubd");
	if (!IS_ERR(khubd_task))
		return 0;
 
	/* Fall through if kernel_thread failed */
	usb_deregister(&hub_driver);
	printk(KERN_ERR "%s: can't start khubd\n", usbcore_name);
 
	return -1;
}

这里我们只关心kthread_run(hub_thread, NULL, "khubd"); 然后我们看hub_thread函数

static int hub_thread(void *__unused)
{
	do {
		hub_events();
		wait_event_interruptible(khubd_wait,
				!list_empty(&hub_event_list) ||
				kthread_should_stop());
		try_to_freeze();
	} while (!kthread_should_stop() || !list_empty(&hub_event_list));
 
	pr_debug("%s: khubd exiting\n", usbcore_name);
	return 0;
}

这里我们看到了hub_events（）函数。然后设置运行状态，如果有事件就加入hub_event_list。自此khubd运行起来了。

java热插拔架构常见的热插拔设备_热插拔_02