深度剖析USB设备端驱动框架

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。

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。

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。

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。

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

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。

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。

编辑：jq