Linux下USB驱动之skeleton分析（zz）

jia_killer

Linux下USB驱动之skeleton分析（一）
Usb_skeleton.c，是USB驱动的框架，适合USB驱动的初学者。

1．结构体
内核其实就是一坨坨的数据结构，加上一根根链表。
对于初学者，如果直接看USB驱动代码，大概会被那些名字相近的结构体弄得晕头转向，比如usb_host_interface和usb_interface，看着看着就把两个混淆了。所以，在学习USB驱动之前，建议把相关结构体都拎出来看一下，其实，也就那么几个结构体在那装神弄鬼。USB skeleton驱动中用到的主要字段已用蓝色标出：
endpoint：
struct usb_host_endpoint {
    struct usb_endpoint_descriptor  desc;
    struct list_head     urb_list;
    void              *hcpriv;
    unsigned char *extra;  
    int extralen;
};

struct usb_endpoint_descriptor {
    __u8  bLength;
    __u8  bDescriptorType;

    __u8  bEndpointAddress;
    __u8  bmAttributes;
    __le16 wMaxPacketSize;
    __u8  bInterval;

   
   
    __u8  bRefresh;
    __u8  bSynchAddress;
} __attribute__ ((packed));

bEndpointAddress，最高位用来判断传输方向：
#define USB_ENDPOINT_NUMBER_MASK   0x0f  
#define USB_ENDPOINT_DIR_MASK      0x80
#define USB_DIR_OUT         0     
#define USB_DIR_IN          0x80      
bmAttributes，表示endpoint的类型：
#define USB_ENDPOINT_XFERTYPE_MASK 0x03  
#define USB_ENDPOINT_XFER_CONTROL  0
#define USB_ENDPOINT_XFER_ISOC     1
#define USB_ENDPOINT_XFER_BULK     2
#define USB_ENDPOINT_XFER_INT      3
bInterval，如果该endpoint是interrupt类型的（USB鼠标驱动就是该类型），那么bInterval就表示中断时间间隔，单位毫秒。

interface：
struct usb_interface {
    struct usb_host_interface *altsetting;
    struct usb_host_interface *cur_altsetting;
    unsigned num_altsetting;
    int minor;      
    enum usb_interface_condition condition;      
    struct device dev;      
    struct class_device *class_dev;
};

struct usb_host_interface {
    struct usb_interface_descriptor desc;
    struct usb_host_endpoint *endpoint;
    char *string;   
    unsigned char *extra;  
    int extralen;
};

struct usb_interface_descriptor {
    __u8  bLength;
    __u8  bDescriptorType;

    __u8  bInterfaceNumber;
    __u8  bAlternateSetting;
    __u8  bNumEndpoints;
    __u8  bInterfaceClass;
    __u8  bInterfaceSubClass;
    __u8  bInterfaceProtocol;
    __u8  iInterface;
} __attribute__ ((packed));

usb_device：
struct usb_device {
    int    devnum;      
    char       devpath [16];
    enum usb_device_state    state;
    enum usb_device_speed    speed;

    struct usb_tt *tt;      
    int    ttport;      

    struct semaphore serialize;

    unsigned int toggle[2];   

    struct usb_device *parent;
    struct usb_bus *bus;   
    struct usb_host_endpoint ep0;

    struct device dev;      

    struct usb_device_descriptor descriptor;
    struct usb_host_config *config;

    struct usb_host_config *actconfig;
    struct usb_host_endpoint *ep_in[16];
    struct usb_host_endpoint *ep_out[16];

    char **rawdescriptors;     

    int have_langid;   
    int string_langid;      

    char *product;
    char *manufacturer;
    char *serial;      
    struct list_head filelist;
    struct dentry *usbfs_dentry;   

   

    int maxchild;      
    struct usb_device *children[USB_MAXCHILDREN];
};

usb_driver：
struct usb_driver {
    struct module *owner;

    const char *name;

    int (*probe) (struct usb_interface *intf,
             const struct usb_device_id *id);

    void (*disconnect) (struct usb_interface *intf);

    int (*ioctl) (struct usb_interface *intf, unsigned int code, void *buf);

    int (*suspend) (struct usb_interface *intf, pm_message_t message);
    int (*resume) (struct usb_interface *intf);

    const struct usb_device_id *id_table;

    struct device_driver driver;
};

2．Init
先来看模块初始化函数，它仅仅完成一个功能，那就是注册USB驱动：
static int __init usb_skel_init(void)
{
    int result;

   
    result = usb_register(&skel_driver);
    if (result)
       err("usb_register failed. Error number %d", result);

    return result;
}

其中，skel_driver如下：
static struct usb_driver skel_driver = {
    .owner =   THIS_MODULE,
    .name =       "skeleton",
    .probe =   skel_probe,
    .disconnect = skel_disconnect,
    .id_table =   skel_table,
};
前面几个字段很好理解，这里就说下id_table。先看skel_table的定义：
static struct usb_device_id skel_table [] = {
    { USB_DEVICE(USB_SKEL_VENDOR_ID, USB_SKEL_PRODUCT_ID) },
    { }              
};
id_table用来告诉内核该模块支持的所有设备。usb子系统通过设备的production ID和vendor ID的组合或者设备的class、subclass跟protocol的组合来识别设备，并调用相关的驱动程序作处理。不同设备的这些组合，当然是不一样的，这由USB协会统一管理、分配。
skeleton中，使用production ID和vendor ID的组合来识别设备。
注意，还要使用MODULE_DEVICE_TABLE把这个id_table注册到系统中去：
MODULE_DEVICE_TABLE (usb, skel_table);

3．Probe
probe是usb子系统自动调用的一个函数，有USB设备连接到主机时，usb子系统会根据production ID和vendor ID的组合或者设备的class、subclass跟protocol的组合（也就是根据id_table）来识别设备，并调用相应驱动程序的probe（探测）函数。
不同的USB驱动模块，会注册不同的id_table，比如现在有Usb_skeleton.c、Usb_driver1.c、Usb_driver2.c和Usb_driver3.c这么四个USB驱动模块，它们都会调用MODULE_DEVICE_TABLE (usb, xxx_table)。这样，系统中就有四个id_table。当一个USB设备连接到主机时，系统会从这四个id_table中，找到能够匹配该USB设备的id_table，并调用该id_table所属的USB驱动模块。

Probe代码很长，分段分析：
static int skel_probe(struct usb_interface *interface, const struct usb_device_id *id)
{
    struct usb_skel *dev = NULL;
    struct usb_host_interface *iface_desc;
    struct usb_endpoint_descriptor *endpoint;
    size_t buffer_size;
    int i;
    int retval = -ENOMEM;

   
    dev = kmalloc(sizeof(*dev), GFP_KERNEL);
    if (dev == NULL) {
       err("Out of memory");
       goto error;
    }
    memset(dev, 0x00, sizeof(*dev));
    kref_init(&dev->kref);

    dev->udev = usb_get_dev(interface_to_usbdev(interface));
    dev->interface = interface;

……

error:
    if (dev)
       kref_put(&dev->kref, skel_delete);
    return retval;
先介绍几个函数：
usb_get_dev和usb_put_dev分别是递增/递减usb_device的reference count。
kref_init，初始化kref，并将其置设成1。
kref_get和kref_put分别递增/递减kref。

在初始化了一些资源之后，可以看到第一个关键的函数调用——interface_to_usbdev。他从一个usb_interface来得到该接口所在设备的usb_device。本来，要得到一个usb_device只要用interface_to_usbdev就够了，但因为要增加对该usb_device的引用计数，我们应该在做一个usb_get_dev的操作，来增加引用计数，并在释放设备时用usb_put_dev来减少引用计数。

这里要解释的是，usb_get_dev是对该usb_device的计数，并不是对本模块的计数，本模块的计数要由kref来维护。所以，probe一开始就有初始化kref，kref_init(&dev->kref)。事实上，kref_init操作不单只初始化kref，还将其置设成1。所以在出错处理代码中有kref_put，它把kref的计数减1，如果kref计数已经为0，那么kref会被释放。kref_put的第二个参数是一个函数指针，指向一个清理函数。注意，该指针不能为空，或者kfree。该函数会在最后一个对kref的引用释放时被调用。

   
   
    iface_desc = interface->cur_altsetting;
    for (i = 0; i desc.bNumEndpoints; ++i) {
       endpoint = &iface_desc->endpoint.desc;

       if (!dev->bulk_in_endpointAddr &&
           ((endpoint->bEndpointAddress & USB_ENDPOINT_DIR_MASK)
                  == USB_DIR_IN) &&
           ((endpoint->bmAttributes & USB_ENDPOINT_XFERTYPE_MASK)
                  == USB_ENDPOINT_XFER_BULK)) {
         
           buffer_size = le16_to_cpu(endpoint->wMaxPacketSize);
           dev->bulk_in_size = buffer_size;
           dev->bulk_in_endpointAddr = endpoint->bEndpointAddress;
           dev->bulk_in_buffer = kmalloc(buffer_size, GFP_KERNEL);
           if (!dev->bulk_in_buffer) {
              err("Could not allocate bulk_in_buffer");
              goto error;
           }
       }

       if (!dev->bulk_out_endpointAddr &&
           ((endpoint->bEndpointAddress & USB_ENDPOINT_DIR_MASK)
                  == USB_DIR_OUT) &&
           ((endpoint->bmAttributes & USB_ENDPOINT_XFERTYPE_MASK)
                  == USB_ENDPOINT_XFER_BULK)) {
         
           dev->bulk_out_endpointAddr = endpoint->bEndpointAddress;
       }
    }
    if (!(dev->bulk_in_endpointAddr && dev->bulk_out_endpointAddr)) {
       err("Could not find both bulk-in and bulk-out endpoints");
       goto error;
    }
上面这段函数，主要是通过usb_endpoint_descriptor里的信息，初始化dev（usb_skel类型）中的字段。
这里列一下各个结构体之间的关系，帮助大家理一下层次：
usb_interface->usb_host_interface->usb_host_endpoint->usb_endpoint_descriptor

   
    usb_set_intfdata(interface, dev);

   
    retval = usb_register_dev(interface, &skel_class);
    if (retval) {
      
       err("Not able to get a minor for this device.");
       usb_set_intfdata(interface, NULL);
       goto error;
    }

   
    info("USB Skeleton device now attached to USBSkel-%d", interface->minor);
    return 0;
usb_set_intfdata, 把刚才初始化得到的dev（usb_skel类型）保存在usb_interface中，以便其他函数使用。这样做是因为，dev是一个局部变量，其他函数没法获得，但其他函数（比如open）可以访问usb_interface，这样，也就可以访问usb_skel里的具体字段了。如open函数中，dev = usb_get_intfdata(interface)。

下面讲一下usb_register_dev相关的内容。
一个USB interface对应一种USB逻辑设备，比如鼠标、键盘、音频流。所以，在USB范畴中，device一般就是指一个interface。一个驱动只控制一个interface。这样，usb_register_dev自然是注册一个interface，所以usb_register_dev的第一个参数是interface（usb_interface类型）。

接着介绍下skel_class：
static struct usb_class_driver skel_class = {
    .name =       "usb/skel%d",
    .fops =       &skel_fops,
    .mode =       S_IFCHR | S_IRUSR | S_IWUSR | S_IRGRP | S_IWGRP | S_IROTH,
    .minor_base = USB_SKEL_MINOR_BASE,
};
其中，skel_fops定义为：
static struct file_operations skel_fops = {
    .owner =   THIS_MODULE,
    .read =       skel_read,
    .write =   skel_write,
    .open =       skel_open,
    .release = skel_release,
};
skel_fops是真正完成对设备IO操作的函数集。

usb_register_dev注册一次，获取一个次设备号。该次设备号从usb_class_driver -> minor_base开始分配。
usb_register_dev(interface, &skel_class)，也就是说，一个usb_interface对应一个次设备号。结合上面举的interface例子，可以知道，鼠标、键盘各自对应一个不同的次设备号。

4．Disconnect
当设备从主机拔出时，usb子系统会自动地调用disconnect，他做的事情不多，最重要的是注销class_driver（交还次设备号）和interface的data。然后用kref_put(&dev->kref, skel_delete)进行清理。
static void skel_disconnect(struct usb_interface *interface)
{
    struct usb_skel *dev;
    int minor = interface->minor;

   
    lock_kernel();

    dev = usb_get_intfdata(interface);
    usb_set_intfdata(interface, NULL);

   
    usb_deregister_dev(interface, &skel_class);

    unlock_kernel();

   
    kref_put(&dev->kref, skel_delete);

    info("USB Skeleton #%d now disconnected", minor);
}




Linux下USB驱动之skeleton分析（二）
5．Open、Read、Write
skel_open、skel_read、skel_write，和我们通常见到的文件操作一样，当用户调用open、read或write这三个系统调用时，系统会分别调用这三个函数。
5．1 Open
static int skel_open(struct inode *inode, struct file *file)
{
    struct usb_skel *dev;
    struct usb_interface *interface;
    int subminor;
    int retval = 0;

    subminor = iminor(inode);

    interface = usb_find_interface(&skel_driver, subminor);
    if (!interface) {
       err ("%s - error, can't find device for minor %d",
            __FUNCTION__, subminor);
       retval = -ENODEV;
       goto exit;
    }

    dev = usb_get_intfdata(interface);
    if (!dev) {
       retval = -ENODEV;
       goto exit;
    }

   
    kref_get(&dev->kref);

   
    file->private_data = dev;

exit:
    return retval;
}
open函数很简单，主要是递增usb_skel的kref，并把该结构体存入file的private_data中，以便其他函数（如read、write）调用。

5．2 Read
static ssize_t skel_read(struct file *file, char *buffer, size_t count, loff_t *ppos)
{
    struct usb_skel *dev;
    int retval = 0;
    int bytes_read;

    dev = (struct usb_skel *)file->private_data;
   
   
    retval = usb_bulk_msg(dev->udev,
                 usb_rcvbulkpipe(dev->udev, dev->bulk_in_endpointAddr),
                 dev->bulk_in_buffer,
                 min(dev->bulk_in_size, count),
                 &bytes_read, 10000);

   
    if (!retval) {
       if (copy_to_user(buffer, dev->bulk_in_buffer, bytes_read))
           retval = -EFAULT;
       else
           retval = bytes_read;
    }

    return retval;
}
先从file->private_data中取出在open函数中存入的usb_skel结构体。

介绍下usb_rcvbulkpipe这个函数：
该函数建立一个“receive、bulk类型”的pipe。
pipe是一个32位的值，记录了如下内容：
bit31～30，表示类型，bulk、interrupt、control或isochronous
bit23～16，记录usb_device-> devnum，它表示USB总线上的地址。
bit15～8，表示目标（要发送给谁）的endpoint地址
bit7～0，表示方向，USB_DIR_IN或USB_DIR_OUT

这里要说明一下IN和OUT：
在USB中，一切都是以Host为中心的，所以，在Host一方，IN是用来收数据的，而在Device一方正好相反，它的IN endpoint是用来发送数据的，OUT endpoint用来接受数据。笔者曾用过STR7x、STR9x和STM32（这些都是作为Device）上的USB做应用，当时很疑惑，为什么总是要在端点的OUT中断函数中收数据，在IN中断函数里发数据，现在终于明白了。

把思路拉回来，刚才通过usb_rcvbulkpipe建立了一个pipe，现在就要发送这个pipe，从目标设备读取数据。
usb_bulk_msg按照pipe值，从指定的目标设备读取数据，放入dev->bulk_in_buffer。

5．3 Write
static ssize_t skel_write(struct file *file, const char *user_buffer, size_t count, loff_t *ppos)
{
    struct usb_skel *dev;
    int retval = 0;
    struct urb *urb = NULL;
    char *buf = NULL;

    dev = (struct usb_skel *)file->private_data;

   
    if (count == 0)
       goto exit;

   
    urb = usb_alloc_urb(0, GFP_KERNEL);
    if (!urb) {
       retval = -ENOMEM;
       goto error;
    }

    buf = usb_buffer_alloc(dev->udev, count, GFP_KERNEL, &urb->transfer_dma);
    if (!buf) {
       retval = -ENOMEM;
       goto error;
    }

    if (copy_from_user(buf, user_buffer, count)) {
       retval = -EFAULT;
       goto error;
    }

   
    usb_fill_bulk_urb(urb, dev->udev,
             usb_sndbulkpipe(dev->udev, dev->bulk_out_endpointAddr),
             buf, count, skel_write_bulk_callback, dev);
    urb->transfer_flags |= URB_NO_TRANSFER_DMA_MAP;

   
    retval = usb_submit_urb(urb, GFP_KERNEL);
    if (retval) {
       err("%s - failed submitting write urb, error %d", __FUNCTION__, retval);
       goto error;
    }

   
    usb_free_urb(urb);

exit:
    return count;

error:
    usb_buffer_free(dev->udev, count, buf, urb->transfer_dma);
    usb_free_urb(urb);
    return retval;
}
（关于urb的知识，这里就不介绍了，大家可以google一下或者参考Linux驱动的宝典级读物《Linux Device Drivers 3rd》）
如果读懂了read函数，那么这个write就也能理解的差不多了。
不同的地方是，这里使用了usb_alloc_urb 、usb_fill_bulk_urb和usb_submit_urb、usb_free_urb这套组合，取代之前usb_bulk_msg这个比较偷懒、简化的方法。使用这套组合的优点是：
1、它不阻塞，usb_submit_urb后，直接返回，而usb_bulk_msg要等发送/接收全部完成后，才返回。
2、因为usb_submit_urb是直接返回的，所以当传输完成后，需要有一个回调函数来通知驱动，它就是complete函数，这里就是skel_write_bulk_callback。

其实大家有兴趣看看usb_bulk_msg的实现源码，会发现，它其实也是通过调用usb_alloc_urb 、usb_fill_bulk_urb和usb_submit_urb、usb_free_urb来实现的，不过它的complete回调函数是由系统自己处理的，而不是用户自己来编写代码。

最后一个函数，也就是complete回调函数，为了全文的完整，这里象征性地贴一下代码。兄弟你都读到这里了，应该很轻松就能读懂这个函数的，我就不多解释了：
static void skel_write_bulk_callback(struct urb *urb, struct pt_regs *regs)
{
    struct usb_skel *dev;

    dev = (struct usb_skel *)urb->context;

   
    if (urb->status &&
        !(urb->status == -ENOENT ||
          urb->status == -ECONNRESET ||
          urb->status == -ESHUTDOWN)) {
       dbg("%s - nonzero write bulk status received: %d",
           __FUNCTION__, urb->status);
    }

   
    usb_buffer_free(urb->dev, urb->transfer_buffer_length,
           urb->transfer_buffer, urb->transfer_dma);
}




本文来自ChinaUnix博客，如果查看原文请点：http://blog.chinaunix.net/u/15201/showart_2061083.html