一文搞懂 USB 设备端驱动框架

原创

Vinson001 2022-03-07 17:18:41 ©著作权

文章标签 设备驱动 linux 描述符 文章分类 运维

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hello 大家好，今天带领大家学习一下USB 设备端驱动
内核版本：4.4.94

1. Linux USB 子系统

在介绍设备端驱动前，我们先来看看 Linux USB子系统。这里的子系统是相对于整个Linux kernel 来说的，而非单一设备。从整体概括了USB主机端和设备端的通信框架。

Linux kernel 中早已集成了较为完善的USB协议栈，由于其规模庞大，包含多个类别的设备驱动，所以Linux系统中的USB协议栈也被称为USB子系统。

一文搞懂 USB 设备端驱动框架_linux

1.1 主机端

主机端，简化抽象三层：

各种类设备驱动：mass sotrage, CDC, HID等
USB 设备驱动：USB 核心处理
主机控制器驱动：不同的USB主机控制器（OHCI/EHCI/UHCI），抽象为HDC。

1.2 设备端

设备端，也抽象为三层：

设备功能驱动：mass sotage , CDC, HID 等，对应主机端的类设备驱动
Gadget 设备驱动：中间层，向下直接和UDC通信，建立链接；向上提供通用接口，屏蔽USB请求以及传输细节。
设备控制器驱动：UDC驱动，直接处理USB设备控制器。

2. USB 设备驱动

2.1 gadget 驱动框架拆解1

我们将USB 设备端驱动拆解一下，其驱动框架如下：

一文搞懂 USB 设备端驱动框架_linux_02

上文提到，Gadget 设备层起着至关重要的作用。为上层提供通用的驱动框架，与下层UDC通过Gadget Interface 建立联系。

其中Compsite Framwork 提供了一个通用的usb_gadget_driver 模板，包括各种方法供上层Function driver 使用。（driver/usb/gadget/compsite.c）

从上图我们可以看出，对于USB设备端驱动开发而言，更多的关注的是Function driver这层。USB 控制相关过程，内核提供了一个中间层帮我们屏蔽掉了。

2.2 gadget 驱动框架拆解2

内核版本：Linux Kernel 4.4.94，我们以这个版本进行拆解分析

4.x 的内核相对于3.x的内核在gadget 驱动上分解的更加完善，显得目录结构，层次分明，分工合理，更便于理解。

相对于3.x 的版本，4.4.94这个内核，将原来的、driver/usb/gadget目录进行拆分。通用接口保持不变，比如compsite.c以及functions.c。将usb function driver 进行细分，分为legacy和functions。

有了这些背景，我们再看4.4.94这版内核，gadget驱动框架，如图所示（下图笔者按自己的理解绘制的）：

一文搞懂 USB 设备端驱动框架_设备驱动_03

legacy：整个Gadget 设备驱动的入口。位于driver/usb/gadget/legacy下，里面给出了常用的usb类设备的驱动sample。其作用就是配置USB设备描述符信息，提供一个usb_composite_driver, 然后注册到composite层。
functions：各种usb 子类设备功能驱动。位于driver/usb/gadget/functions,里面也给出了对应的sample。其作用是配置USB子类协议的接口描述以及其他子类协议，比如uvc协议，hid等。
注意：对于一个compsite 设备一个有一个或者多个function，对应的也就有多个functions driver

从这张图上，有没有发现，设备端驱动开发似乎越来越简单了。没错，事实上，我们只需要根据legacy的源码，添加对应的usb设备描述符信息，以及其他若干配置即可。

换言之，我们只需要关心 legacy 这一丢丢就行，对于functions这层会根据业务需要略微调整，不过整体变动不大。

usb 驱动框架之所以复杂，除了需要研究各种复杂的协议，还融合了各种驱动，对于初学者来说，理解起来有点困难。事实上，光是legacy这里也包含其他驱动，比如webcam里有大名鼎鼎的 v4l2 驱动框架。

所以当我学习USB驱动框架的时候，一定要抓大放小，【把握主要脉络，忽略细节】。当我们把一个复杂的驱动逐一拆解的话，其实发现，就没有那么可怕了。

2.3 usb compsite 设备构建

为了便于理解，我们来简单了解一个usb compsite 设备的构建过程：

假设构建一个usb 复合设备，需要支持uac, uac, hid 三个功能其驱动框架如下：

一文搞懂 USB 设备端驱动框架_设备驱动_04

首先，我们需要一个驱动入口 legacy,用来配置设备描述信息，支持的协议等
然后添加一个配置支持多种接口，这里支持uvc uac hid, 每个接口对应一个functions driver
最后我们把它注册到compsite 层
对于functions driver 有个usb function driver list，在内核注册function driver 时会自动添加到一个链表上。functions.c 就是用来管理所有的function drivers

3. USB gadget 驱动剖析

3.1 相关数据结构

在梳理整个框架前我们先梳理一下几个重要的数据结构，从下到上依次介绍：

usb_udc:

udc 使用，内嵌usb_gadget_driver 和 usb_gadget

struct usb_udc {
 struct usb_gadget_driver *driver;
 struct usb_gadget  *gadget;
 struct device   dev;
 struct list_head  list;
 bool    vbus;
};

usb gadget：

usb 底层操作，包括udc，端点请求等。

struct usb_gadget {
 struct work_struct  work;         /* 工作队列 */
 struct usb_udc   *udc;          /* udc */
 /* readonly to gadget driver */
 const struct usb_gadget_ops *ops; /*gadget 设备操作函数集*/
 struct usb_ep   *ep0;           /* 控制端点，只对setup包响应*/
 struct list_head  ep_list;      /* 将设备的所有端点连成链表，ep0不在其中 */
 enum usb_device_speed  speed; /* 高速、全速和低速 */
 enum usb_device_speed  max_speed; /* 最大速度 */
 enum usb_device_state  state;
 const char   *name;
 struct device   dev;
 unsigned   out_epnum;       /* out ep number */
 unsigned   in_epnum;         /* in ep number */
 struct usb_otg_caps  *otg_caps;

 unsigned   sg_supported:1;
 unsigned   is_otg:1;
 unsigned   is_a_peripheral:1;
 unsigned   b_hnp_enable:1;
 unsigned   a_hnp_support:1;
 unsigned   a_alt_hnp_support:1;
 unsigned   quirk_ep_out_aligned_size:1;
 unsigned   quirk_altset_not_supp:1;
 unsigned   quirk_stall_not_supp:1;
 unsigned   quirk_zlp_not_supp:1;
 unsigned   is_selfpowered:1;
 unsigned   deactivated:1;
 unsigned   connected:1;
};

usb_gadget_driver：

usb_gadget_driver - driver for usb 'slave' devices. usb 从设备驱动通用结构。

作用：提供一个通用的usb gadget driver 模板，向下注册到udc,向上给functions driver提供bind 回调等。
关注：bind 回调、function 驱动名、setup 处理请求

struct usb_gadget_driver {
 char   *function;    /* String describing the gadget's function */
 enum usb_device_speed max_speed; /* Highest speed the driver handles */
 int   (*bind)(struct usb_gadget *gadget, /* the driver's bind callback */
     struct usb_gadget_driver *driver);
 void   (*unbind)(struct usb_gadget *);
 int   (*setup)(struct usb_gadget *, /* 处理ep0 request */
     const struct usb_ctrlrequest *);
 void   (*disconnect)(struct usb_gadget *); 
 void   (*suspend)(struct usb_gadget *);
 void   (*resume)(struct usb_gadget *);
 void   (*reset)(struct usb_gadget *);

 /* FIXME support safe rmmod */
 struct device_driver driver;
};

usb_composite_driver:

usb_composite_driver ,设备驱动的入口，用来管理设备配置信息，保存设备描述符。

重点：关注 bind 方法。

struct usb_composite_driver {
 const char    *name; /* 驱动名字 */
 const struct usb_device_descriptor *dev ; /* 设备描述符 */
 struct usb_gadget_strings  **strings;
 enum usb_device_speed   max_speed;
 unsigned  needs_serial:1;

 int   (*bind)(struct usb_composite_dev *cdev); /* bind 方法 */
 int   (*unbind)(struct usb_composite_dev *);

 void   (*disconnect)(struct usb_composite_dev *);

 /* global suspend hooks */
 void   (*suspend)(struct usb_composite_dev *);
 void   (*resume)(struct usb_composite_dev *);
 struct usb_gadget_driver  gadget_driver;     /* usb gadget driver */
};

usb_composite_dev:

内嵌gadget对象，以及usb 设备的一些配置和请求，主要用于初始化。

struct usb_composite_dev {
 struct usb_gadget  *gadget;
 struct usb_request  *req;
 struct usb_request  *os_desc_req;

 struct usb_configuration *config; /* usb 配置信息 */

 /* OS String is a custom (yet popular) extension to the USB standard. */
 u8    qw_sign[OS_STRING_QW_SIGN_LEN];
 u8    b_vendor_code;
 struct usb_configuration *os_desc_config;
 unsigned int   use_os_string:1;

 /* private: */
 /* internals */
 unsigned int   suspended:1;
 struct usb_device_descriptor desc; /* 设备描述符 */
 struct list_head  configs;
 struct list_head  gstrings;
 struct usb_composite_driver *driver; /* composite driver */
 u8    next_string_id;
 char    *def_manufacturer;

 /* the gadget driver won't enable the data pullup
  * while the deactivation count is nonzero.
  */
 unsigned   deactivations;

 /* the composite driver won't complete the control transfer's
  * data/status stages till delayed_status is zero.
  */
 int    delayed_status;

 /* protects deactivations and delayed_status counts*/
 spinlock_t   lock;

 unsigned   setup_pending:1;
 unsigned   os_desc_pending:1;
};

3.2 驱动剖析

如图为一个通用的usb gadget 驱动剖析，框图中只列出了两个function，如果有多个function可以继续添加。关于udc控制器部分，，没有继续画下去，注意我们始终保持一个原则，【抓大放小】，把握重要的脉络即可。

有关 usb 设备端驱动，比较复杂图片包含内容比较多，如果觉得不清楚，后台回复【gadget 驱动】获取高清图

一文搞懂 USB 设备端驱动框架_描述符_05

分层分块

上下分层，左右分离的思想。

设备功能驱动

legacy 驱动入口
functions 驱动实现

Gadget 设备层：最重要的是compsite_bind 方法，承上启下的作用。
udc 设备控制器层。usb 协议的真正处理。

驱动走向

向下：usb_composite_driver -> usb_gadget_driver->usb_udc
向上回调：udc_bind_to_driver -> composite_bind -> webcam_bind 其中其主要作用的两个结构就是usb_gadget_driver 和 usb_compsite_dev。前者向下注册到udc list 里面，与udc控制器建立绑定关系；后者向上提供接口，供上层配置usb 设备的各种functions 和其他配置信息。

代码分析

注册usb_composite_driver

module_usb_composite_driver(webcam_driver)
     module_driver(webcam_driver, usb_composite_probe, \
         usb_composite_unregister)

usb_composite_probe

usb_composite_probe(webcam_driver);
        driver->gadget_driver = composite_driver_template;
        gadget_driver = &driver->gadget_driver;
        ...
        usb_gadget_probe_driver(composite_driver_template);
                udc_bind_to_driver(udc, driver);
                        composite_driver_template->bind(udc->gadget, composite_driver_template);
                        usb_gadget_udc_start(udc);

composite_bind

composite_bind(udc->gadget,composite_driver_template);
        cdev->gadget = gadget;
        composite_dev_prepare(webcam_driver,cdev);
                cdev->req = usb_ep_alloc_request(gadget->ep0, GFP_KERNEL); /* 申请端点0 */
                cdev->req->complete = composite_setup_complete;
                cdev->driver = webcam_driver;
                usb_ep_autoconfig_reset(gadget);
        webcam_driver->bind(cdev);

webcam_bind

webcam_bind(cdev);
        usb_get_function_instance("uvc");
                try_get_usb_function_instance("uvc");
                        uvc_alloc_inst();
        usb_add_config();
                webcam_config_bind();
                        usb_get_function();
                        usb_add_function();
                others_config_bind();

其他

关于function driver 我们这里没有详细介绍，这个框图只是一个通用的usb 设备驱动框架图，对于具体的usb function driver 我们这里没有做具体分析。

以f_uvc简单举例，详细过程见内核源码。

DECLARE_USB_FUNCTION_INIT(uvc, uvc_alloc_inst, uvc_alloc);

DECLARE_USB_FUNCTION_INIT(uvc, uvc_alloc_inst, uvc_alloc);
        usb_function_register(&uvcusb_func);
                list_for_each_entry(fd, &func_list, list)
                list_add_tail();

DECLARE_USB_FUNCTION_INIT

一个通用的驱动模板，用来注册usb_function_driver，并添加到func_list上。

#define DECLARE_USB_FUNCTION(_name, _inst_alloc, _func_alloc)  \
 static struct usb_function_driver _name ## usb_func = {  \
  .name = __stringify(_name),    \
  .mod  = THIS_MODULE,     \
  .alloc_inst = _inst_alloc,    \
  .alloc_func = _func_alloc,    \
 };        \
 MODULE_ALIAS("usbfunc:"__stringify(_name));

#define DECLARE_USB_FUNCTION_INIT(_name, _inst_alloc, _func_alloc) \
 DECLARE_USB_FUNCTION(_name, _inst_alloc, _func_alloc)  \
 static int __init _name ## mod_init(void)   \
 {        \
  return usb_function_register(&_name ## usb_func); \
 }        \
 static void __exit _name ## mod_exit(void)   \
 {        \
  usb_function_unregister(&_name ## usb_func);  \
 }        \
 module_init(_name ## mod_init);     \
 module_exit(_name ## mod_exit)

4. 总结

本文以拆解的方式，逐步剥离 usb 设备端驱动框架，带领大家来重新认识usb 设备端驱动，同时给出了一个 compsite 设备的通用驱动框架模型，并从源码层次分析整个驱动流程。

有关USB 或者其他类似的高级驱动，笔者有个建议，在初学时一点更要【把握主次，忽略细节】。

比如一个复合的usb 设备可能包含，uvc,uac,hid,等等，视频有uvc function驱动和v4l2驱动，uac也有相应的驱动，衍生展开会非常复杂。

所以当我们先掌握设备端驱动框架以及流程，等后面需要加入其他usb function 驱动再去研究其协议或者驱动，以及衍生驱动。

后台回复【gadget 驱动】获取高清图

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一文搞懂 USB 设备端驱动框架_linux_06

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