Linux下USB核心之學習筆記

Linux下USB子系統軟體結構為

USB
核心（USB驅動，USBD
）處於系統的中心，對於它進行研究是能夠進行USB驅動開發（包括客戶驅動和主機驅動）的第一步。它為用戶端驅動和主機控制器驅動提供了主要資料結構和接
口函數，主要有四類功能：用戶端驅動管理，USB裝置的配置和管理，主機控制器的管理，協議控制命令集和資料轉送的管理。具體代碼主要集中在
linux/drivers/usb下的usb.c, usb.h中

主要資料結構分析

主要有四個資料結構，分別是USB裝置usb_device，儲存了一個USB裝置的資訊，包括裝置地址，裝置描述符，配置描述符，等等

USB匯流排系統usb_bus，儲存了一個USB匯流排系統的資訊，包括匯流排上裝置地址資訊，根集線器，頻寬使用方式等。一個USB匯流排系統肯定有一個主機控制器和一個根集線器。Linux支援多USB匯流排系統

用戶端驅動程式usb_driver，儲存了客戶驅動資訊，包括驅動名稱，以及驅動提供給USB核心使用的函數指標等

（USB Request Block）urb，是進行USB通訊的資料結構。Linux的USB子系統只使用這麼一種資料結構來進行USB通訊，urb包含了建立任何 USB傳輸所需的所有資訊，並貫穿於USB協議棧對資料處理的整個過程。

下面是對各部分進行詳細分析。
struct usb_device {            //代表一個USB裝置 
      int devnum;              //分配的裝置地址，1-127 
      enum { 
              USB_SPEED_UNKNOWN = 0,               /* enumerating */ 
              USB_SPEED_LOW, USB_SPEED_FULL,              /* usb 1.1 */ 
              USB_SPEED_HIGH                       /* usb 2.0 */ 
       } speed;                       //裝置速度，低速/全速/高速 

       struct usb_device *tt;              /* usb1.1 device on usb2.0 bus */，交易處理解譯器
       int ttport;               /* device/hub port on that tt */裝置所串連的具有交易處理解譯器功能的集線器連接埠 
       atomic_t refcnt;            /* Reference count */引用計數 
       struct semaphore serialize; //用於同步 
      
unsigned int toggle[2];              /* one bit for each endpoint ([0]
= IN, [1] = OUT) */用於同步切換的位元影像，每個端點佔用1位，[0]表示輸入，[1]輸出 
       unsigned
int halted[2];        /* endpoint halts; one bit per endpoint # &
direction;  [0] = IN, [1] = OUT */表示端點是否處於停止狀態的位元影像 
       int epmaxpacketin[16];          /* INput endpoint specific maximums */輸入端點的最大包長 
       int epmaxpacketout[16];              /* OUTput endpoint specific maximums */輸出端點的最大包長 
       struct usb_device *parent;   //表示裝置所連的上遊集線器指標 
       struct usb_bus *bus;        /* Bus we're part of */裝置所屬的USB匯流排系統 
       struct usb_device_descriptor descriptor;/* Descriptor */ 裝置描述符 
       struct usb_config_descriptor *config; /* All of the configs */指向裝置的配置描述符和其所包含的介面描述符，端點描述符的指標 
       struct usb_config_descriptor *actconfig;/* the active configuration */當前的配置描述符指標 
       char **rawdescriptors;            /* Raw descriptors for each config */ 
       int have_langid;           /* whether string_langid is valid yet *// 是否有string_langid 
       int string_langid;         /* language ID for strings */和字元描述符相關的語言ID 
      void *hcpriv;                /* Host Controller private data */裝置在HCD層佔用的資源指標，對USB核心層是透明的  

    /* usbdevfs inode list */ 裝置在usbdevfs中的inode列表 
       struct list_head inodes; 
       struct list_head filelist; 
       /* 

        * Child devices - these can be either new devices 
        * (if this is a hub device), or different instances 
        * of this same device. 
        * 
        * Each instance needs its own set of data structures. 
        */只對當前裝置是集線器的情況有效 
      int maxchild;                     /* Number of ports if hub */ hub的下遊連接埠數 
       struct usb_device *children[USB_MAXCHILDREN]; hub所連裝置指標

};

struct usb_bus { //USB匯流排系統 

       int busnum;                     /* Bus number (in order of reg) */當前匯流排系統的序號，Linux支援多匯流排系統並為它們編號
#ifdef DEVNUM_ROUND_ROBIN 
       int devnum_next;     /* Next open device number in round-robin allocation */
#endif /* DEVNUM_ROUND_ROBIN */給串連到子系統上的裝置分配裝置號的資料結構 
       struct usb_devmap devmap;       /* Device map */給串連到子系統上的裝置分配裝置號的資料結構     
       struct usb_operations *op;      /* Operations (specific to the HC) */HCD為USB核心提供的一系統函數集指標

       struct usb_device *root_hub;    /* Root hub */指向根Hub的指標

       struct list_head bus_list;       雙向鏈表指標，USB核心用一個雙向鏈表來維護系統中所有USB匯流排系統

       void *hcpriv; /* Host Controller private data */與主機控制器相關資料，對USB核心層是透明

      
int bandwidth_allocated;       /* on this Host Controller; applies to
Int. and Isoc. pipes; measured in microseconds/frame; range is 0..900,
where 900 = 90% of a 1-millisecond frame
*/當前子系統的頻寬使用方式，單位是毫秒/幀，取值範圍[0,900]

       int bandwidth_int_reqs;        /* number of Interrupt requesters */子系統中當前的中斷傳輸的數量

       int bandwidth_isoc_reqs;       /* number of Isoc. requesters */子系統中當前的即時傳輸的數量

 

       /* usbdevfs inode list */ 在usbdevfs中的inode列表       struct list_head inodes;

       atomic_t refcnt;

};

struct usb_driver { //用戶端驅動程式為USB核心提供的調用介面

       const char *name;    //用戶端驅動程式的字串名稱，用於避免重複安裝和卸載

       void *(*probe)(//給USB核心提供的函數，用於判斷驅動程式是否能對裝置的某個介面進行驅動，如能則分配資源

           struct usb_device *dev,              /* the device */

           unsigned intf,                /* what interface */

           const struct usb_device_id *id   /* from id_table */

           );

       void (*disconnect)(struct usb_device *, void *);//給USB核心提供的函數，用於釋放裝置的某個介面所佔用的資源

       struct list_head driver_list;//對應的雙向指標，USB核心通過一個雙向指標鏈表維護USB子系統中所用的用戶端驅動程式

       struct file_operations *fops;

       int minor; 驅動的次版本號碼

       struct semaphore serialize;

       /* ioctl -- userspace apps can talk to drivers through usbdevfs */

       int (*ioctl)(struct usb_device *dev, unsigned int code, void *buf);

       /* support for "new-style" USB hotplugging

        * binding policy can be driven from user mode too

        */

       const struct usb_device_id *id_table;

       /* suspend before the bus suspends;

        * disconnect or resume when the bus resumes */

       // void (*suspend)(struct usb_device *dev);

       // void (*resume)(struct usb_device *dev);

};

typedef struct urb //USB Request Block，包含了建立任何 USB傳輸所需的所有資訊，並貫穿於USB協議棧對資料處理的整個過程

 

 

{

       spinlock_t lock;              // lock for the URB

       void *hcpriv;                // private data for host controller與主機控制器相關資料，對USB核心層是透明

       struct list_head urb_list;       // list pointer to all active urbs雙向指標，用於將此URB串連到處於活動的URB雙向鏈表中

       struct urb *next;            // pointer to next URB 指向下一個URB的指標

       struct usb_device *dev;       // pointer to associated USB device 接受此URB的USB裝置指標

       unsigned int pipe;// pipe information表示裝置的某個端點和用戶端驅動程式之間的管道

       int status;                     // returned status 返回狀態

       unsigned int transfer_flags;       // USB_DISABLE_SPD | USB_ISO_ASAP | etc.

              USB_DISABLE_SPD   //拒絕短資料包，即比最大傳輸包長度小的資料包

USB_ISO_ASAP     //用於即時傳輸，告訴主機控制器立即進行此請求的資料轉送。如果沒有置位，則需要給start_frame賦值，用來通知主機控制器該在哪個幀上開始此請求的資料轉送

USB_ASYNC_UNLINK  //告訴USBD採用非同步方式取消請求

USB_QUEUE_BULK    //表示批量請求可以排隊，一般一個裝置的批量請求端點只有一個URB

USB_NO_FSBR       //表示全速傳輸站用的頻寬不要回收

USB_ZERO_PACKET //表示批量傳輸的資料長度等於端點的包最大長度時，主機控制器在發送完資料後，再發送一個零長度的包表示資料結束

USB_TIMEOUT_KILLED //本位只被HCD設定，表示發生了逾時。客戶驅動可以給URB的處理設定一個逾時時間，如果處理逾時，則要求USBD結束對此URB的處理，URB的返回資訊中會反映該此狀態。

       void *transfer_buffer;            // associated data buffer傳輸資料緩衝區指標，接收或發送裝置的資料，它必須是物理連續的，不可換頁的記憶體塊，用kmalloc（，GFP_KERNEL）分配

       int transfer_buffer_length;     // data buffer length緩衝區長度

       int actual_length;      // actual data buffer length 實際資料長度

       int bandwidth;                   // bandwidth for this transfer request (INT or ISO) 此請求每次佔用一幀的頻寬，只適用即時/中斷傳輸

       unsigned char *setup_packet;       // setup packet (control only) 用於指向控制傳輸中控制命令的指標，只適用控制傳輸

      
int start_frame;    // start frame (iso/irq
only)此請求所開始傳輸的幀號，只適用即時/中斷傳輸。中斷傳輸時，表示返回啟動此請求的第一次中斷傳輸的幀號。即時傳輸時，指明處理第一個即時請求
資料報包的幀號，如果設定了USB_ISO_ASAP，此變數表示返回啟動第一次即時傳輸的幀號。

       int number_of_packets;  // number of packets in this request (iso)此請求所包含的資料包數，只適合即時傳輸

       int interval; // polling interval (irq only) 中斷傳輸的周期，1〈= interval〈=255 
       int error_count;   // number of errors in this transfer (iso only)發生傳輸錯誤次數的累加值，只適用即時傳輸 
       int timeout;       // timeout (in jiffies)

      void *context;               // context for completion routine回呼函數中的參數

      usb_complete_t complete;       // pointer to completion routine 指向回呼函數的指標。當資料轉送完成後，主機控制器驅動會回調該函數。

       iso_packet_descriptor_t iso_frame_desc[0]; 要進行即時傳輸的結構數組，每個結構表示一次資料轉送

} urb_t, *purb_t;