7.12.5. USB Host 子系统代码架构

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整个 USB 系统的通讯模型如上图所示,Host 框架见左侧彩图部分。

7.12.5.1. USB Core

7.12.5.1.1. Layer

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由前几节可知USB将 Device 进一步细分成了3个层级: Configuration 配置、 Interface 接口、 Endpoint 端点。

USB Core 为其中两个层次提供了 Device + Driver 的设备驱动模型,这两个层次分别是 USB Device LayerUSB Interface Layer 层,一个 USB Device 包含一个或多个 USB Interface。其中:

  • USB Device Layer 层。这一层的 DeviceHub 创建, Hub 本身也是一种 USB Device ;这一层的 Driver 完成的功能非常简单,基本就是帮 USB Device 创建其包含的所有子 USB InterfaceDevice ,大部分场景下都是使用 usb_generic_driver

  • USB Interface Layer 层。这一层的 Device 由上一级 USB Device 在驱动 probe() 时创建;而这一层的 Driver 就是普通的业务 Usb 驱动,即 Usb 协议中所说的 Client Software

7.12.5.1.2. URB (USB Request Block)

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USB Core 除了提供上一节描述的设备驱动模型以外,另一个重要的作用就是要给 USB Interface Driver 提供读写 USB 数据的 API,这一任务是围绕着 USB Request Block 来完成的。

USB Interface Driver 适配成功以后,会从配置信息中获取到当前 Interface 包含了多少个 Endpoint ,以及每个 Endpoint 的地址、传输类型、最大包长等其他信息。 Endpoint 是 USB 总线传输中最小的 寻址单位 ,Interface Driver 利用对几个 Endpoint 的读写来驱动具体的设备功能。

对某个 Endpoint 发起一次读写操作,具体工作使用 struct urb 数据结构来承担。

以下是一个对 Endpoint 0 使用 urb 发起读写的一个简单实例:

static int usb_internal_control_msg(struct usb_device *usb_dev,
                    unsigned int pipe,
                    struct usb_ctrlrequest *cmd,
                    void *data, int len, int timeout)
{
    struct urb *urb;
    int retv;
    int length;

    /* (1) 分配一个 urb 内存空间 */
    urb = usb_alloc_urb(0, GFP_NOIO);
    if (!urb)
        return -ENOMEM;

    /* (2) 填充 urb 内容,最核心的有3方面:
            1、总线地址:Device Num + Endpoint Num
            2、数据:data + len
            3、回调函数:usb_api_blocking_completion
    */
    usb_fill_control_urb(urb, usb_dev, pipe, (unsigned char *)cmd, data,
                len, usb_api_blocking_completion, NULL);

    /* (3) 发送 urb 请求,并且等待请求完成 */
    retv = usb_start_wait_urb(urb, timeout, &length);
    if (retv < 0)
        return retv;
    else
        return length;
}

↓

static int usb_start_wait_urb(struct urb *urb, int timeout, int *actual_length)
{
    struct api_context ctx;
    unsigned long expire;
    int retval;

    init_completion(&ctx.done);
    urb->context = &ctx;
    urb->actual_length = 0;
    /* (3.1) 把 urb 请求挂载到 hcd 的队列当中 */
    retval = usb_submit_urb(urb, GFP_NOIO);
    if (unlikely(retval))
        goto out;

    expire = timeout ? msecs_to_jiffies(timeout) : MAX_SCHEDULE_TIMEOUT;
    /* (3.2) 当 urb 执行完成后,首先会调用 urb 的回调函数,然后会发送 completion 信号解除这里的阻塞 */
    if (!wait_for_completion_timeout(&ctx.done, expire)) {
        usb_kill_urb(urb);
        retval = (ctx.status == -ENOENT ? -ETIMEDOUT : ctx.status);

        dev_dbg(&urb->dev->dev,
            "%s timed out on ep%d%s len=%u/%u\n",
            current->comm,
            usb_endpoint_num(&urb->ep->desc),
            usb_urb_dir_in(urb) ? "in" : "out",
            urb->actual_length,
            urb->transfer_buffer_length);
    } else
        retval = ctx.status;
out:
    if (actual_length)
        *actual_length = urb->actual_length;

    usb_free_urb(urb);
    return retval;
}

7.12.5.1.2.1. Normal Device urb_enqueue

对普通的 Usb device 来说,urb 最后会提交到 Host Controller 的收发队列上面,由 HC 完成实际的 USB 传输:

usb_submit_urb() → usb_hcd_submit_urb():

int usb_hcd_submit_urb (struct urb *urb, gfp_t mem_flags)
{

    /* (1) 如果是 roothub 走特殊的路径 */
    if (is_root_hub(urb->dev)) {
        status = rh_urb_enqueue(hcd, urb);
    /* (2) 如果是普通 device 调用对应的 hcd 的 urb_enqueue() 函数 */
    } else {
        status = map_urb_for_dma(hcd, urb, mem_flags);
        if (likely(status == 0)) {
            status = hcd->driver->urb_enqueue(hcd, urb, mem_flags);
            if (unlikely(status))
                unmap_urb_for_dma(hcd, urb);
        }
    }

}

7.12.5.1.2.2. Roothub Device urb_enqueue

特别需要注意的是 roothub 它是一个虚拟的 usb device,实际上它并不在usb总线上而是在 host 内部,所以相应的 urb 需要特殊处理,而不能使用 hcd 把数据发送到 Usb 总线上去。

usb_submit_urb() → usb_hcd_submit_urb() → rh_urb_enqueue():

static int rh_urb_enqueue (struct usb_hcd *hcd, struct urb *urb)
{
    /* (1) 对于 int 类型的数据,被挂载到 hcd->status_urb 指针上面
            通常 roothub 驱动用这个 urb 来查询 roothub 的端口状态
    */
    if (usb_endpoint_xfer_int(&urb->ep->desc))
        return rh_queue_status (hcd, urb);

    /* (2) 对于 control 类型的数据,是想读取 roothub ep0 上的配置信息
            使用软件来模拟这类操作的响应
    */
    if (usb_endpoint_xfer_control(&urb->ep->desc))
        return rh_call_control (hcd, urb);
    return -EINVAL;
}

|→

static int rh_queue_status (struct usb_hcd *hcd, struct urb *urb)
{

    /* (1.1) 将 urb 挂载到对应的 ep 链表中 */
    retval = usb_hcd_link_urb_to_ep(hcd, urb);
    if (retval)
        goto done;

    /* (1.2) 将 urb 赋值给 hcd->status_urb
            在 hcd 驱动中,会通过这些接口来通知 roothub 的端口状态变化
    */
    hcd->status_urb = urb;
    urb->hcpriv = hcd;      /* indicate it's queued */
    if (!hcd->uses_new_polling)
        mod_timer(&hcd->rh_timer, (jiffies/(HZ/4) + 1) * (HZ/4));

}

|→

static int rh_call_control (struct usb_hcd *hcd, struct urb *urb)
{
    /* (2.1) 软件模拟对 roothub 配置读写的响应 */
}

7.12.5.2. USB Device Layer

7.12.5.2.1. Device (struct usb_device)

USB Device Device 对应的数据结构为 struct usb_device ,会在两种情况下被创建:

  • roothub device。在 HCD 驱动注册时创建:

/* (1) 首先创建和初始化 `usb_device` 结构: */
usb_add_hcd() → usb_alloc_dev():
struct usb_device *usb_alloc_dev(struct usb_device *parent,
                struct usb_bus *bus, unsigned port1)
{

    /* (1.1) dev 总线初始化为 usb_bus_type */
    dev->dev.bus = &usb_bus_type;
    /* (1.2) dev 类型初始化为 usb_device_type,标明自己是一个 usb device */
    dev->dev.type = &usb_device_type;
    dev->dev.groups = usb_device_groups;

}

/* (2) 然后注册  `usb_device` 结构: */
usb_add_hcd() → register_root_hub() → usb_new_device() → device_add()
  • 普通 usb device。在 Hub 检测到端口有设备 attach 时创建:

/* (1) 首先创建和初始化 `usb_device` 结构: */
hub_event() → port_event() → hub_port_connect_change() → hub_port_connect() → usb_alloc_dev()

/* (2) 然后注册  `usb_device` 结构: */
hub_event() → port_event() → hub_port_connect_change() → hub_port_connect() → usb_new_device() → device_add()

7.12.5.2.2. Driver (struct usb_device_driver)

USB Device Driver 对应的数据结构为 struct usb_device_driver,使用 usb_register_device_driver() 函数进行注册:

int usb_register_device_driver(struct usb_device_driver *new_udriver,
        struct module *owner)
{

    /* (1) 设置for_devices标志为1,表面这个驱动时给 usb device 使用的 */
    new_udriver->drvwrap.for_devices = 1;
    new_udriver->drvwrap.driver.name = new_udriver->name;
    new_udriver->drvwrap.driver.bus = &usb_bus_type;
    new_udriver->drvwrap.driver.probe = usb_probe_device;
    new_udriver->drvwrap.driver.remove = usb_unbind_device;
    new_udriver->drvwrap.driver.owner = owner;
    new_udriver->drvwrap.driver.dev_groups = new_udriver->dev_groups;

    retval = driver_register(&new_udriver->drvwrap.driver);

}

注册的 USB Device Driver 驱动非常少,一般情况下所有的 USB Device Device 都会适配到 usb_generic_driver。因为这一层次驱动的目的很单纯,就是给 USB Device 下所有的 Interface 创建对应的 USB Interface Device。

usb_init() → usb_register_device_driver() :

static int __init usb_init(void)
{

    retval = usb_register_device_driver(&usb_generic_driver, THIS_MODULE);

}

struct usb_device_driver usb_generic_driver = {
    .name = "usb",
    .match = usb_generic_driver_match,
    .probe = usb_generic_driver_probe,
    .disconnect = usb_generic_driver_disconnect,
#ifdef      CONFIG_PM
    .suspend = usb_generic_driver_suspend,
    .resume = usb_generic_driver_resume,
#endif
    .supports_autosuspend = 1,
};

驱动 probe() 过程:

usb_probe_device() → usb_generic_driver_probe() → usb_set_configuration():

int usb_set_configuration(struct usb_device *dev, int configuration)
{

    /* (1) 创建和初始化 `struct usb_interface` */
    for (i = 0; i < nintf; ++i) {
        /* (1.1) dev 总线初始化为 usb_bus_type */
        intf->dev.bus = &usb_bus_type;
        /* (1.2) dev 类型初始化为 usb_if_device_type,标明自己是一个 usb interface */
        intf->dev.type = &usb_if_device_type;
        intf->dev.groups = usb_interface_groups;
    }

    /* (2) 注册 `struct usb_interface` */
    for (i = 0; i < nintf; ++i) {
        ret = device_add(&intf->dev);
    }

}

7.12.5.2.3. Bus (usb_bus_type)

可以看到 struct usb_devicestruct usb_interface 使用的总线都是 usb_bus_type。他们是通过字段 dev.type 来区分的:

/* (1) `struct usb_device` 的 `dev.type` 值为 `usb_device_type`: */
usb_add_hcd() → usb_alloc_dev():
struct usb_device *usb_alloc_dev(struct usb_device *parent,
                struct usb_bus *bus, unsigned port1)
{
    dev->dev.type = &usb_device_type;
}

/* (2) `struct usb_interface` 的 `dev.type` 值为 `usb_if_device_type` */
usb_probe_device() → usb_generic_driver_probe() → usb_set_configuration():
int usb_set_configuration(struct usb_device *dev, int configuration)
{
    for (i = 0; i < nintf; ++i) {
        intf->dev.type = &usb_if_device_type;
    }
}

static inline int is_usb_device(const struct device *dev)
{
    /* (3) 判断当前 Device 是否为 Usb Device */
    return dev->type == &usb_device_type;
}

static inline int is_usb_interface(const struct device *dev)
{
    /* (4) 判断当前 Device 是否为 Usb Interface */
    return dev->type == &usb_if_device_type;
}

另外 struct usb_device_driverstruct usb_driver 使用的总线都是 usb_bus_type。他们是通过字段 drvwrap.for_devices 来区分的:

/* (1) `struct usb_device_driver` 的 `drvwrap.for_devices` 值为 1: */
int usb_register_device_driver(struct usb_device_driver *new_udriver,
        struct module *owner)
{
    new_udriver->drvwrap.for_devices = 1;
}

/* (2) `struct usb_driver` 的 `drvwrap.for_devices` 值为 0: */
int usb_register_driver(struct usb_driver *new_driver, struct module *owner,
            const char *mod_name)
{
    new_driver->drvwrap.for_devices = 0;
}

/* (3) 判断当前 Driver 是适配 Usb Device 还是 Usb Interface */
static inline int is_usb_device_driver(struct device_driver *drv)
{
    return container_of(drv, struct usbdrv_wrap, driver)->
            for_devices;
}

usb_bus_typematch() 函数中利用 dev.type 进行判别分开处理:

struct bus_type usb_bus_type = {
    .name =         "usb",
    .match =        usb_device_match,
    .uevent =       usb_uevent,
    .need_parent_lock =     true,
};

static int usb_device_match(struct device *dev, struct device_driver *drv)
{
    /* devices and interfaces are handled separately */
    /* (1) Device 是 `Usb Device` 的处理 */
    if (is_usb_device(dev)) {
        struct usb_device *udev;
        struct usb_device_driver *udrv;

        /* interface drivers never match devices */
        /* (1.1) 只查找 `Usb Device` 的 Driver */
        if (!is_usb_device_driver(drv))
            return 0;

        udev = to_usb_device(dev);
        udrv = to_usb_device_driver(drv);

        /* If the device driver under consideration does not have a
        * id_table or a match function, then let the driver's probe
        * function decide.
        */
        if (!udrv->id_table && !udrv->match)
            return 1;

        return usb_driver_applicable(udev, udrv);

    /* (2) Device 是 `Usb Interface` 的处理 */
    } else if (is_usb_interface(dev)) {
        struct usb_interface *intf;
        struct usb_driver *usb_drv;
        const struct usb_device_id *id;

        /* device drivers never match interfaces */
        /* (2.1) 只查找 `Usb Interface` 的 Driver */
        if (is_usb_device_driver(drv))
            return 0;

        intf = to_usb_interface(dev);
        usb_drv = to_usb_driver(drv);

        id = usb_match_id(intf, usb_drv->id_table);
        if (id)
            return 1;

        id = usb_match_dynamic_id(intf, usb_drv);
        if (id)
            return 1;
    }

    return 0;
}

7.12.5.3. USB Interface Layer

7.12.5.3.1. Device (struct usb_interface)

如上一节描述, USB Interface Device 对应的数据结构为 struct usb_interface ,会在 USB Device Driver 驱动 probe() 时 被创建:

usb_probe_device() → usb_generic_driver_probe() → usb_set_configuration():

int usb_set_configuration(struct usb_device *dev, int configuration)
{

    /* (1) 创建和初始化 `struct usb_interface` */
    for (i = 0; i < nintf; ++i) {
        /* (1.1) dev 总线初始化为 usb_bus_type */
        intf->dev.bus = &usb_bus_type;
        /* (1.2) dev 类型初始化为 usb_if_device_type,标明自己是一个 usb interface */
        intf->dev.type = &usb_if_device_type;
        intf->dev.groups = usb_interface_groups;
    }

    /* (2) 注册 `struct usb_interface` */
    for (i = 0; i < nintf; ++i) {
        ret = device_add(&intf->dev);
    }

}

7.12.5.3.2. Driver (struct usb_driver)

USB Interface 这一层次的驱动就非常的多了,这一层主要是在 USB 传输层之上,针对 USB Device 的某个功能 Function 开发对应的 USB 功能业务驱动,即常说的 USB Client Software。在 USB 定义中,一个 Interface 就是一个 Function

USB Interface Driver 对应的数据结构为 struct usb_driver ,使用 usb_register_driver() 函数进行注册:

int usb_register_driver(struct usb_driver *new_driver, struct module *owner,
            const char *mod_name)
{

    /* (1) 设置for_devices标志为0,表面这个驱动时给 usb interface 使用的 */
    new_driver->drvwrap.for_devices = 0;
    new_driver->drvwrap.driver.name = new_driver->name;
    new_driver->drvwrap.driver.bus = &usb_bus_type;
    new_driver->drvwrap.driver.probe = usb_probe_interface;
    new_driver->drvwrap.driver.remove = usb_unbind_interface;
    new_driver->drvwrap.driver.owner = owner;
    new_driver->drvwrap.driver.mod_name = mod_name;
    new_driver->drvwrap.driver.dev_groups = new_driver->dev_groups;
    spin_lock_init(&new_driver->dynids.lock);
    INIT_LIST_HEAD(&new_driver->dynids.list);

    retval = driver_register(&new_driver->drvwrap.driver);

}

一个最简单的 Usb Interface Driverusb_mouse_driver :

static const struct usb_device_id usb_mouse_id_table[] = {
    { USB_INTERFACE_INFO(USB_INTERFACE_CLASS_HID, USB_INTERFACE_SUBCLASS_BOOT,
        USB_INTERFACE_PROTOCOL_MOUSE) },
    { }     /* Terminating entry */
};
MODULE_DEVICE_TABLE (usb, usb_mouse_id_table);

static struct usb_driver usb_mouse_driver = {
    .name           = "usbmouse",
    .probe          = usb_mouse_probe,
    .disconnect     = usb_mouse_disconnect,
    .id_table       = usb_mouse_id_table,
};

module_usb_driver(usb_mouse_driver);
  • 首先根据得到的 endpoint 准备好 urb,创建好 input 设备:

static int usb_mouse_probe(struct usb_interface *intf, const struct usb_device_id *id)
{
    struct usb_device *dev = interface_to_usbdev(intf);
    struct usb_host_interface *interface;
    struct usb_endpoint_descriptor *endpoint;
    struct usb_mouse *mouse;
    struct input_dev *input_dev;
    int pipe, maxp;
    int error = -ENOMEM;

    interface = intf->cur_altsetting;

    if (interface->desc.bNumEndpoints != 1)
        return -ENODEV;

    /* (1) 得到当前 interface 中的第一个 endpoint,mouse设备只需一个 endpoint */
    endpoint = &interface->endpoint[0].desc;
    if (!usb_endpoint_is_int_in(endpoint))
        return -ENODEV;

    pipe = usb_rcvintpipe(dev, endpoint->bEndpointAddress);
    maxp = usb_maxpacket(dev, pipe, usb_pipeout(pipe));

    mouse = kzalloc(sizeof(struct usb_mouse), GFP_KERNEL);
    /* (2.1) 分配 input device */
    input_dev = input_allocate_device();
    if (!mouse || !input_dev)
        goto fail1;

    mouse->data = usb_alloc_coherent(dev, 8, GFP_ATOMIC, &mouse->data_dma);
    if (!mouse->data)
        goto fail1;

    /* (3.1) 分配 urb */
    mouse->irq = usb_alloc_urb(0, GFP_KERNEL);
    if (!mouse->irq)
        goto fail2;

    mouse->usbdev = dev;
    mouse->dev = input_dev;

    if (dev->manufacturer)
        strlcpy(mouse->name, dev->manufacturer, sizeof(mouse->name));

    if (dev->product) {
        if (dev->manufacturer)
            strlcat(mouse->name, " ", sizeof(mouse->name));
        strlcat(mouse->name, dev->product, sizeof(mouse->name));
    }

    if (!strlen(mouse->name))
        snprintf(mouse->name, sizeof(mouse->name),
            "USB HIDBP Mouse %04x:%04x",
            le16_to_cpu(dev->descriptor.idVendor),
            le16_to_cpu(dev->descriptor.idProduct));

    usb_make_path(dev, mouse->phys, sizeof(mouse->phys));
    strlcat(mouse->phys, "/input0", sizeof(mouse->phys));

    /* (2.2) 初始化 input device */
    input_dev->name = mouse->name;
    input_dev->phys = mouse->phys;
    usb_to_input_id(dev, &input_dev->id);
    input_dev->dev.parent = &intf->dev;

    input_dev->evbit[0] = BIT_MASK(EV_KEY) | BIT_MASK(EV_REL);
    input_dev->keybit[BIT_WORD(BTN_MOUSE)] = BIT_MASK(BTN_LEFT) |
        BIT_MASK(BTN_RIGHT) | BIT_MASK(BTN_MIDDLE);
    input_dev->relbit[0] = BIT_MASK(REL_X) | BIT_MASK(REL_Y);
    input_dev->keybit[BIT_WORD(BTN_MOUSE)] |= BIT_MASK(BTN_SIDE) |
        BIT_MASK(BTN_EXTRA);
    input_dev->relbit[0] |= BIT_MASK(REL_WHEEL);

    input_set_drvdata(input_dev, mouse);

    input_dev->open = usb_mouse_open;
    input_dev->close = usb_mouse_close;

    /* (3.2) 初始化 urb */
    usb_fill_int_urb(mouse->irq, dev, pipe, mouse->data,
            (maxp > 8 ? 8 : maxp),
            usb_mouse_irq, mouse, endpoint->bInterval);
    mouse->irq->transfer_dma = mouse->data_dma;
    mouse->irq->transfer_flags |= URB_NO_TRANSFER_DMA_MAP;

    /* (2.3) 注册 input device */
    error = input_register_device(mouse->dev);
    if (error)
        goto fail3;

    usb_set_intfdata(intf, mouse);
    return 0;

fail3:
    usb_free_urb(mouse->irq);
fail2:
    usb_free_coherent(dev, 8, mouse->data, mouse->data_dma);
fail1:
    input_free_device(input_dev);
    kfree(mouse);
    return error;
}
  • 在 input device 被 open 时提交 urb 启动传输:

static int usb_mouse_open(struct input_dev *dev)
{
    struct usb_mouse *mouse = input_get_drvdata(dev);

    mouse->irq->dev = mouse->usbdev;
    /* (1) 提交初始化好的 usb,开始查询数据 */
    if (usb_submit_urb(mouse->irq, GFP_KERNEL))
        return -EIO;

    return 0;
}
  • 在传输完 urb 的回调函数中,根据读回的数据上报 input 事件,并且重新提交 urb 继续查询:

static void usb_mouse_irq(struct urb *urb)
{
    struct usb_mouse *mouse = urb->context;
    signed char *data = mouse->data;
    struct input_dev *dev = mouse->dev;
    int status;

    switch (urb->status) {
    case 0:                 /* success */
        break;
    case -ECONNRESET:       /* unlink */
    case -ENOENT:
    case -ESHUTDOWN:
        return;
    /* -EPIPE:  should clear the halt */
    default:                /* error */
        goto resubmit;
    }

    /* (1) 根据 urb 读回的数据,上报 input event */
    input_report_key(dev, BTN_LEFT,   data[0] & 0x01);
    input_report_key(dev, BTN_RIGHT,  data[0] & 0x02);
    input_report_key(dev, BTN_MIDDLE, data[0] & 0x04);
    input_report_key(dev, BTN_SIDE,   data[0] & 0x08);
    input_report_key(dev, BTN_EXTRA,  data[0] & 0x10);

    input_report_rel(dev, REL_X,     data[1]);
    input_report_rel(dev, REL_Y,     data[2]);
    input_report_rel(dev, REL_WHEEL, data[3]);

    input_sync(dev);
resubmit:
    /* (2) 重新提交 urb 继续查询 */
    status = usb_submit_urb (urb, GFP_ATOMIC);
    if (status)
        dev_err(&mouse->usbdev->dev,
            "can't resubmit intr, %s-%s/input0, status %d\n",
            mouse->usbdev->bus->bus_name,
            mouse->usbdev->devpath, status);
}

7.12.5.3.3. USB Hub Driver

image3

普通的 Usb Device 通过内部的 Interface 提供各种业务功能。而 Hub 这类特殊的 Usb Device 功能就一种,那就是监控端口的状态变化:

  • 在端口上有设备 attach 时,创建新的 usb device,给其适配驱动。如果是 hub device,子 usb 驱动会进一步扫描端口。

  • 在端口上有设备 deattach 时,移除掉对应的 usb device。如果是 hub device 进一步移除其所有的子 usb device。

Hub 也是标准的 Usb Device,它也是标准的流程被上一级设备发现后 创建 Usb Device创建 Usb Interface ,然后被 Usb Hub Interface Driver 给适配到。系统中只有一个 Hub 驱动:

static const struct usb_device_id hub_id_table[] = {
    { .match_flags = USB_DEVICE_ID_MATCH_VENDOR
                | USB_DEVICE_ID_MATCH_PRODUCT
                | USB_DEVICE_ID_MATCH_INT_CLASS,
    .idVendor = USB_VENDOR_SMSC,
    .idProduct = USB_PRODUCT_USB5534B,
    .bInterfaceClass = USB_CLASS_HUB,
    .driver_info = HUB_QUIRK_DISABLE_AUTOSUSPEND},
    { .match_flags = USB_DEVICE_ID_MATCH_VENDOR
            | USB_DEVICE_ID_MATCH_INT_CLASS,
    .idVendor = USB_VENDOR_GENESYS_LOGIC,
    .bInterfaceClass = USB_CLASS_HUB,
    .driver_info = HUB_QUIRK_CHECK_PORT_AUTOSUSPEND},
    { .match_flags = USB_DEVICE_ID_MATCH_DEV_CLASS,
    .bDeviceClass = USB_CLASS_HUB},
    { .match_flags = USB_DEVICE_ID_MATCH_INT_CLASS,
    .bInterfaceClass = USB_CLASS_HUB},
    { }                                             /* Terminating entry */
};

MODULE_DEVICE_TABLE(usb, hub_id_table);

static struct usb_driver hub_driver = {
    .name =         "hub",
    .probe =        hub_probe,
    .disconnect =   hub_disconnect,
    .suspend =      hub_suspend,
    .resume =       hub_resume,
    .reset_resume = hub_reset_resume,
    .pre_reset =    hub_pre_reset,
    .post_reset =   hub_post_reset,
    .unlocked_ioctl = hub_ioctl,
    .id_table =     hub_id_table,
    .supports_autosuspend = 1,
};

hub_driver 驱动启动以后,只做一件事情发送一个查询端口状态的 urb

hub_probe() → hub_configure():

static int hub_configure(struct usb_hub *hub,
    struct usb_endpoint_descriptor *endpoint)
{

    /* (1) 分配 urb */
    hub->urb = usb_alloc_urb(0, GFP_KERNEL);
    if (!hub->urb) {
        ret = -ENOMEM;
        goto fail;
    }

    /* (2) 初始化 urb,作用就是通过 ep0 查询 hub 的端口状态
            urb 的回调函数是 hub_irq()
    */
    usb_fill_int_urb(hub->urb, hdev, pipe, *hub->buffer, maxp, hub_irq,
        hub, endpoint->bInterval);

    /* (3) 发送 urb */
    hub_activate(hub, HUB_INIT);

}

↓

static void hub_activate(struct usb_hub *hub, enum hub_activation_type type)
{
    /*  (3.1) 提交 urb */
    status = usb_submit_urb(hub->urb, GFP_NOIO);
}

7.12.5.3.3.1. Normal Hub Port op

在普通的 hub 中,端口操作是通过标准的 urb 发起 usb ep0 读写。分为两类:

  • 通过轮询读取 Hub Class-specific Requests 配置来查询端口的状态:

image4

  • 设置和使能端口也是通过 Hub Class-specific Requests 中相应的命令实现的:

image5

7.12.5.3.3.2. RootHub Port op

而对于 roothub 来说,对端口的操作的 urb 都需要特殊处理 (以 EHCI 的驱动为例):

  • 端口状态的变化可以通过 HCD 触发中断再上报:

ehci_irq() → usb_hcd_poll_rh_status() :

void usb_hcd_poll_rh_status(struct usb_hcd *hcd)
{

    /* (1) 获取端口状态的变化 */
    length = hcd->driver->hub_status_data(hcd, buffer);
    if (length > 0) {

        /* try to complete the status urb */
        spin_lock_irqsave(&hcd_root_hub_lock, flags);

        /* (2) 通过回复 hcd->status_urb 来进行上报 */
        urb = hcd->status_urb;
        if (urb) {
            clear_bit(HCD_FLAG_POLL_PENDING, &hcd->flags);
            hcd->status_urb = NULL;
            urb->actual_length = length;
            memcpy(urb->transfer_buffer, buffer, length);

            usb_hcd_unlink_urb_from_ep(hcd, urb);
            usb_hcd_giveback_urb(hcd, urb, 0);
        } else {
            length = 0;
            set_bit(HCD_FLAG_POLL_PENDING, &hcd->flags);
        }
        spin_unlock_irqrestore(&hcd_root_hub_lock, flags);
    }

}

↓

hcd->driver->hub_status_data() → ehci_hub_status_data():

static int
ehci_hub_status_data (struct usb_hcd *hcd, char *buf)
{
    /* (1.1) 通过 HCD 驱动,获取 roothub 端口的状态 */
}
  • 设置和使能端口需要嫁接到 HCD 驱动相关函数上实现:

usb_hcd_submit_urb() → rh_urb_enqueue() → rh_call_control() → hcd->driver->hub_control() → ehci_hub_control():

int ehci_hub_control(
    struct usb_hcd  *hcd,
    u16             typeReq,
    u16             wValue,
    u16             wIndex,
    char            *buf,
    u16             wLength
) {
    /* (1) 通过 HCD 驱动,设置 roothub 的端口 */
}

7.12.5.3.3.3. Device Attach

hub_event() → port_event() → hub_port_connect_change() → hub_port_connect():

static void hub_port_connect(struct usb_hub *hub, int port1, u16 portstatus,
        u16 portchange)
{

    for (i = 0; i < PORT_INIT_TRIES; i++) {

        /* (1) 给端口上新 Device 分配 `struct usb_device` 数据结构 */
        udev = usb_alloc_dev(hdev, hdev->bus, port1);
        if (!udev) {
            dev_err(&port_dev->dev,
                    "couldn't allocate usb_device\n");
            goto done;
        }

        /* (2) 给新的 Device 分配一个新的 Address */
        choose_devnum(udev);
        if (udev->devnum <= 0) {
            status = -ENOTCONN;     /* Don't retry */
            goto loop;
        }

        /* reset (non-USB 3.0 devices) and get descriptor */
        usb_lock_port(port_dev);
        /* (3) 使能端口,并且调用 hub_set_address() 给 Device 配置上新分配的 Address */
        status = hub_port_init(hub, udev, port1, i);
        usb_unlock_port(port_dev);

        /* (4) 注册 `struct usb_device` */
            status = usb_new_device(udev);

    }

}

7.12.5.3.3.4. Device Deattach

hub_event() → port_event() → hub_port_connect_change() → hub_port_connect():

static void hub_port_connect(struct usb_hub *hub, int port1, u16 portstatus,
        u16 portchange)
{

    /* (1) 移除端口上的 `struct usb_device` */
    if (udev) {
        if (hcd->usb_phy && !hdev->parent)
            usb_phy_notify_disconnect(hcd->usb_phy, udev->speed);
        usb_disconnect(&port_dev->child);
    }

}

7.12.5.3.4. Bus (usb_bus_type)

USB Interface 这一层次总线也是 usb_bus_type ,上一节已经分析,这里就不重复解析了。

7.12.5.4. USB Host Controller Layer

Usb Host Controller 提供了 endpoint 层级的数据收发,主要分为以下种类:

  • Usb1.0 有两种控制器标准: OHCI 康柏的开放主机控制器接口, UHCI Intel 的通用主机控制器接口。它们的主要区别是 UHCI 更加依赖软件驱动,因此对 CPU 要求更高,但是自身的硬件会更廉价。

  • Usb2.0 只有一种控制器标准: EHCI 。因为 EHCI 只支持高速传输,所以EHCI控制器包括四个虚拟的全速或者慢速控制器。 EHCI 主要用于 USB 2.0,老的 USB 1.1 用 OHCIUHCIEHCI 为了兼容 USB 1.1,将老的 OHCIUHCI 合并到 EHCI 规范里。

  • USB 3.0 控制器标准: XHCIXHCI 是 Intel 最新开发的主机控制器接口,广泛用户 Intel 六代 Skylake 处理器对应的 100 系列主板上,支持 USB3.0 接口,往下也兼容 USB2.0 。 XHCI 英文全称 eXtensible Host Controller Interface ,是一种可扩展的主机控制器接口,是 Intel 开发的 USB 主机控制器。Intel 系列芯片的 USB 协议采用的就是 XHCI 主控,主要面向 USB 3.0 标准的,同时也兼容 2.0 以下的设备。

7.12.5.4.1. AIC USB Host Controller

ZX 提供了兼容标准 EHCI 的 USB Host Controller。

EHCI 只支持 USB 2.0 高速传输,为了向下兼容 USB 1.1,它直接在内部集成最多4个全速或者慢速控制器 OHCI。在 EHCI 协议内称这种伴生的 OHCI 控制器为 companion host controllers

image6

EHCI 驱动根据端口速率情况来决定由谁来处理:

  • 每个端口有一个 Owner 属性,用来决定是 EHCI 管理还是 OHCI 管理。就是一个 Switch 开关,决定 USB 数据切到哪边处理。

  • 初始状态时端口默认属于 OHCI 管理。所以对于硬件上从 OHCI 升级到 EHCI ,而软件上只有 OHCI 驱动而没有 EHCI 驱动的系统来说是透明的,它继续把 EHCI 当成 OHCI 硬件来使用就行了,保持完美的向前兼容。

  • 如果系统软件上启用了 EHCI 驱动,它首先会把所有端口的 Owner 配置成 EHCI 管理。如果 EHCI 驱动发现端口连接且速率是全速或者慢速,则把端口的 Owner 配置成 OHCI 管理。

对于 EHCI 这种包含两种控制器的兼容方式,软件上需要同时启动 EHCI Driver 和 OHCI Driver,才能完整的兼容 USB 1.0 和 USB 2.0:

image7

7.12.5.4.2. EHCI 内部结构

image8

EHCI 的核心就是把数据传输分成了两类来进行调度:

  • Asynchronous Schedule。用来传输对时间延迟要求不高的 Endpoint 数据,包括 Control TransferBulk  Transfer

  • Periodic Schedule。用来传输对时间延迟要求高的 Endpoint 数据,包括 Isochronous TransferInterrupt Transfer

7.12.5.4.2.1. Asynchronous Queue Schedule

image9

Asynchronous Schedule 内部实现非常的简单就只有一级链表,链表中只有 Queue Head 类型的描述符。每个时间片内传输完 Period 数据以后,再尽可能的传输 Asynchronous 数据即可。

核心的描述符如下:

  • Queue Head

image10

  • Queue Element Transfer Descriptor (qTD)

image11

7.12.5.4.2.2. Periodic Queue Schedule

image12

Periodic Schedule 内部实现如上图所示,核心是两级链表:

  • 第一级链表如上图 绿色 所示。是各种传输结构的实际描述符,主要包含以下几种类型的描述符:

image13

  • 第二级链表如上图 橙色 所示。是一个指针数组,数组中保存的是指向第一级链表的指针。这里每个数组成员代表一个时间分片 Frame/Micro-Frame 的起始位置,每个时间片会根据指针传输第一级链表中的数据,直到第一级链表的结尾。指针的格式如下:

image14

备注

这里的调度思想就是:第一级链表是一个传输数据全集,第二级链表决定了某个时间片里要传输的数据。

这样合理的安排二级链表的指针,比如间隔 8 次指向同一位置这部分数据的 interval 就是 8,间隔 4 次指向同一位置这部分数据的 interval 就是 4。 第一级链表也是要根据 interval 排序的。

Periodic Schedule 核心的描述符除了 QH、QTD 还有 ITD:

  • Isochronous (High-Speed) Transfer Descriptor (iTD)

image15

7.12.5.4.3. EHCI Driver

ehci driver 负责把 echi 功能封装成标准的 hcd 驱动。它主要完成两项工作:

  • 注册标准的 hcd 驱动。把 Client Software 传送下来的 urb 映射到 EHCI 的链表中进行传输。

  • 创建一个虚拟的根 hub 设备,即 roothub。

7.12.5.4.3.1. URB Transfer

ehci 注册 hcd 驱动:

static int ehci_platform_probe(struct platform_device *dev)
{

    /* (1) 分配 hcd,并且把 hcd->driver 初始化成 ehci_hc_driver */
    ehci_init_driver(&ehci_platform_hc_driver, &platform_overrides);
    hcd = usb_create_hcd(&ehci_platform_hc_driver, &dev->dev,
                dev_name(&dev->dev));

    /* (2) 注册标准的 hcd 驱动 */
    err = usb_add_hcd(hcd, irq, IRQF_SHARED);
}

hcd 驱动向上提供了标准接口,最终的实现会调用到 ehci_hc_driver 当中。

static const struct hc_driver ehci_hc_driver = {
    .description =          hcd_name,
    .product_desc =         "EHCI Host Controller",
    .hcd_priv_size =        sizeof(struct ehci_hcd),

    /*
    * generic hardware linkage
    */
    .irq =                  ehci_irq,
    .flags =                HCD_MEMORY | HCD_DMA | HCD_USB2 | HCD_BH,

    /*
    * basic lifecycle operations
    */
    .reset =                ehci_setup,
    .start =                ehci_run,
    .stop =                 ehci_stop,
    .shutdown =             ehci_shutdown,

    /*
    * managing i/o requests and associated device resources
    */
    .urb_enqueue =          ehci_urb_enqueue,
    .urb_dequeue =          ehci_urb_dequeue,
    .endpoint_disable =     ehci_endpoint_disable,
    .endpoint_reset =       ehci_endpoint_reset,
    .clear_tt_buffer_complete =     ehci_clear_tt_buffer_complete,

    /*
    * scheduling support
    */
    .get_frame_number =     ehci_get_frame,

    /*
    * root hub support
    */
    .hub_status_data =      ehci_hub_status_data,
    .hub_control =          ehci_hub_control,
    .bus_suspend =          ehci_bus_suspend,
    .bus_resume =           ehci_bus_resume,
    .relinquish_port =      ehci_relinquish_port,
    .port_handed_over =     ehci_port_handed_over,
    .get_resuming_ports =   ehci_get_resuming_ports,

    /*
    * device support
    */
    .free_dev =             ehci_remove_device,
};

在 urb transfer 过程中,最核心的是调用上述的 ehci_urb_enqueue()ehci_urb_dequeue() 函数。

7.12.5.4.3.2. Roothub

首先创建虚拟的 roothub:

/* (1) 首先创建和初始化 `usb_device` 结构: */
ehci_platform_probe() → usb_add_hcd() → usb_alloc_dev():
struct usb_device *usb_alloc_dev(struct usb_device *parent,
                struct usb_bus *bus, unsigned port1)
{

    /* (1.1) dev 总线初始化为 usb_bus_type */
    dev->dev.bus = &usb_bus_type;
    /* (1.2) dev 类型初始化为 usb_device_type,标明自己是一个 usb device */
    dev->dev.type = &usb_device_type;
    dev->dev.groups = usb_device_groups;

}

/* (2) 然后注册  `usb_device` 结构: */
usb_add_hcd() → register_root_hub() → usb_new_device() → device_add()

然后因为 roothub 并不是在 Usb 物理总线上,所以对它的查询和配置需要特殊处理。详见 Usb Hub Driver 这一节。