一，前言

这一篇学习分析USB设备驱动程序，主要涉及到USB驱动基本概念，USB版本对比、USB主从结构、USB设备的传输类型、USB设备描述符关系、USB的数据传输对象；详细分析了USB总线驱动框架，USB Core、USB HCD、USB总线-设备-驱动模型；最后总结了USB驱动开发中的一般流程并模拟实现一个USB设备驱动程序。

二，USB子系统

2.1 USB驱动基础概念

2.1.1 USB版本

版本	理论最大速率	花名
USB 1.0	1.5Mbps	低速(Low-Speed)
USB 1.1	12Mbps	全速(Full-Speed)
USB 2.0	480Mbps	高速(High-Speed)
USB 3.0	5Gbps	超高速(Super-Speed)
USB 3.1	10Gbps	超高速+(Super-speed+)
USB 4.0	40Gbps

2.1.2 USB主从结构

USB分为USB 主机(USB Host)和USB device(USB设备)。比如USB鼠标插入到电脑，电脑就是USB Host，鼠标就是USB device。所有的USB传输，都是从USB主机这方发起的；USB设备没有"主动"通知USB主机的能力。

2.1.3 USB的传输类型

• 控制传输：控制传输是双向传输，数据量通常比较小，主要指由USB总线驱动程序用来进行查询、配置以及给USB设备发送通用的命令。控制传输典型地用在主计算机和USB外设之间的端点0(Endpoint 0)之间的传输，但是指定供应商的控制传输可能用到其它的端点。比如：USB设备的识别过程。
• 批量传输：主要应用在数据大量传输，同时又没有带宽和间隔时间要求的情况下，进行可靠传输。比如：U盘拷贝数据。
• 中断传输：中断传输主要用于定时查询设备是否有中断数据要传输，设备的端点模式器的结构决定了它的查询频率，从1到255ms之间。这种传输方式典型的应用在少量的、分散的、不可预测数据的传输，比如，键盘和鼠标就属于这一类型。中断传输是单向的并且对于host来说只有输入的方式。
• 实时传输：实时传输提供了确定的带宽和间隔时间，它被用于时间严格并具有较强容错性的流数据传输，或者用于要求恒定的数据传输率的即时应用中。比如：USB摄像头。

2.1.4 USB设备描述符

• 一个USB设备描述符中可以有多个配置描述符，即USB设备可以有多种配置；一个配置描述符中可以有多个接口描述符，即USB设备可以支持多种功能（接口）；一个接口描述符中可以有多个端点描述符。
• 一设备至少要包含设备描述符、配置描述符和接口描述符，如果USB设备没有端点描述符，则它仅仅用默认管道与主机进行数据传输。
• 接口，表示逻辑上的设备，比如USB声卡可以分为接口1-录音设备，接口2-播放设备。
• 访问设备时，即访问某个接口，接口表示逻辑设备。
• 传输数据时，即读写某个端口，端口是数据通道。

2.1.4.1 设备描述符

/* USB_DT_DEVICE: Device descriptor */
struct usb_device_descriptor {
	__u8  bLength; //该结构体大小
	__u8  bDescriptorType; //描述符类型 （此处应为0x01，即设备描述符）
 
	__le16 bcdUSB; //usb版本号 200 -> USB2.0
	__u8  bDeviceClass; //设备类 
	__u8  bDeviceSubClass; //设备类子类
	__u8  bDeviceProtocol; //设备协议，以上三点都是USB官方定义
	__u8  bMaxPacketSize0; //端点0最大包大小 （只能为8,16,32,64）
	__le16 idVendor; //厂家id
	__le16 idProduct; //产品id
	__le16 bcdDevice; //设备出厂编号
	__u8  iManufacturer; //描述厂商信息的字符串描述符的索引值
	__u8  iProduct; //描述产品信息的字串描述符的索引值
	__u8  iSerialNumber; //描述设备序列号信息的字串描述符的索引值 
	__u8  bNumConfigurations; //可能的配置描述符的数目
} __attribute__ ((packed));

2.1.4.2 配置描述符

struct usb_config_descriptor {
	__u8  bLength; //该结构体大小
	__u8  bDescriptorType;//描述符类型（本结构体中固定为0x02)  
 
	__le16 wTotalLength; //该配置下，信息的总长度（包括配置，接口，端点和设备类及厂商定义的描述符）
	__u8  bNumInterfaces; //接口的个数
	__u8  bConfigurationValue; //Set_Configuration命令所需要的参数值，用来选定此配置
	__u8  iConfiguration; //描述该配置的字符串描述的索引值 
	__u8  bmAttributes;//供电模式的选择  
	__u8  bMaxPower;//设备从总线提取的最大电流
} __attribute__ ((packed));

2.1.4.3 接口描述符

配置描述符中包含了一个或多个接口描述符，这里的“接口”并不是指物理存在的接口，在这里把它称之为“功能”更易理解些，例如一个设备既有录音的功能又有扬声器的功能，则这个设备至少就有两个“接口”。

struct usb_interface_descriptor {
	__u8  bLength;		//该结构体大小
	__u8  bDescriptorType;//接口描述符的类型编号(0x04）
 
	__u8  bInterfaceNumber;  //该接口的编号  
	__u8  bAlternateSetting; //备用的接口描述符编号  
	__u8  bNumEndpoints; //该接口使用的端点数，不包括端点0  
	__u8  bInterfaceClass; //接口类
	__u8  bInterfaceSubClass; //子类
	__u8  bInterfaceProtocol; //协议
	__u8  iInterface;//描述此接口的字串描述表的索引值  
} __attribute__ ((packed));

2.1.4.4 端点描述符

端点是设备与主机之间进行数据传输的逻辑接口，除配置使用的端点0（控制端点，一般一个设备只有一个控制端点）为双向端口外，其它均为单向。端点描述符描述了数据的传输类型、传输方向、数据包大小和端点号（也可称为端点地址）等。

除了描述符中描述的端点外，每个设备必须要有一个默认的控制型端点，地址为0，它的数据传输为双向，而且没有专门的描述符，只是在设备描述符中定义了它的最大包长度。主机通过此端点向设备发送命令，获得设备的各种描述符的信息，并通过它来配置设备。

/* USB_DT_ENDPOINT: Endpoint descriptor */
struct usb_endpoint_descriptor {
	__u8  bLength;        //端点描述符字节数大小（7个字节）
	__u8  bDescriptorType;//端点描述符类型编号（0x05) 
 
	__u8  bEndpointAddress; //此描述表所描述的端点的地址、方向 : 
                            // bit3~bit0:端点号，bit6~bit4:保留，
                            // bit7:方向，如果是控制端点则忽略，0-输出端点（主机到设备）1-输入端点（设备到主机）
	__u8  bmAttributes; // 端点特性，bit1~bit0 表示传输类型，其他位保留
                        // 00-控制传输  01-实时传输   10-批量传输 11-中断传输
	__le16 wMaxPacketSize;  //端点收、发的最大包大小
	__u8  bInterval; // 中断传输模式中主机查询端点的时间间隔。
                     // 对于实时传输的端点此域必需为1，表示周期为1ms。对于中断传输的端点此域值的范围为1ms到255ms
 
	/* NOTE:  these two are _only_ in audio endpoints. */
	/* use USB_DT_ENDPOINT*_SIZE in bLength, not sizeof. */
	__u8  bRefresh;
	__u8  bSynchAddress;
} __attribute__ ((packed));

2.1.4.5 字符串描述符

struct usb_string_descriptor {
	__u8  bLength;  // 此描述表的字节数（bString域的数值N＋2）
	__u8  bDescriptorType; // 字串描述表类型（此处应为0x03）

	__le16 wData[1];		/* UTF-16LE encoded */  
} __attribute__ ((packed));

2.1.4.6 人机接口描述符

USB 设备中有一大类就是 HID 设备，即 Human Interface Devices，人机接口设备。这类设备包括鼠标、键盘等，主要用于人与计算机进行交互。 它是 USB 协议最早支持的一种设备类。 HID 设备可以作为低速、全速、高速设备用。由于 HID 设备要求用户输入能得到及时响应，故其传输方式通常采用中断方式。
在 USB 协议中， HID 设备的定义放置在接口描述符中， USB 的设备描述符和配置描述符中不包含 HID 设备的信息。因此，对于某些特定的 HID 设备，可以定义多个接口，只有其中一个接口为 HID 设备类即可。

2.1.4.6 USB描述符的类型值

类型	描述符	类型值
标准描述符	设备描述符	0x01
	配置描述符	0x02
	字符串描述符	0x03
	接口描述符	0x04
	端点描述符	0x05
类描述符	集线器类描述符	0x29
	人机接口类描述符	0x21
厂商定义的描述符		0xff

2.1.5 USB的数据传输对象

端点，一个USB设备可以有多个端点，和主机间的数据传输称为到设备端点的数据传输。比如说，对于一个U盘，可以细分为两个端点，把数据写到U盘的端点1、从U盘的端点2读取数据。

2.2 USB子系统框架

三，USB总线驱动程序

3.1 USB Core

初始化内核USB总线及提供USB相关API，为设备驱动和HCD的交互提供桥梁。

Linux启动阶段，通过subsys_initcall会完成USB Core的加载

subsys_initcall(usb_init);                

3.1.1 注册 USB 总线

USB是基于总线-驱动-设备模型的框架，其初始化阶段一个重点任务就是完成USB总线的创建。usb_bus_type提供了驱动和设备匹配的匹配函数，后面注册设备和驱动时会调用到。

retval = bus_register(&usb_bus_type);
if (retval) 
    goto bus_register_failed;

struct bus_type usb_bus_type = {
	.name =		"usb",
	.match =	usb_device_match,
	.uevent =	usb_uevent,
	.suspend =	usb_suspend,
	.resume =	usb_resume,
};

使用bus_register接口注册USB总线，会创建出两条链表用来分别存放向USB总线注册的设备和驱动。

klist_init(&bus->klist_devices, klist_devices_get, klist_devices_put);
klist_init(&bus->klist_drivers, NULL, NULL);

3.1.2 注册USB接口驱动

一个设备可以有多个接口，每个接口对应着不同的功能。

// 在usb总线注册USB接口驱动，该驱动被放在usb总线的驱动链表中。
retval = usb_register(&usbfs_driver);
if (retval)
    goto driver_register_failed;

struct usb_driver usbfs_driver = {
	.name =		"usbfs",
	.probe =	driver_probe,
	.disconnect =	driver_disconnect,
};

3.1.3 初始化USB Hub

初始化一个USB设备集线器，用来检测USB设备的连接和断开。

// linux-2.6.22.6/drivers/usb/core/usb.c
retval = usb_hub_init();
if (retval)
    goto hub_init_failed;


// linux-2.6.22.6/drivers/usb/core/hub.c
int usb_hub_init(void)
{
    // 在usb总线注册一个hub驱动，该驱动被放在usb总线的驱动链表中。
	if (usb_register(&hub_driver) < 0) {
		printk(KERN_ERR "%s: can't register hub driver\n",
			usbcore_name);
		return -1;
	}
    
    // 创建一个线程，用来处理USB设备的断开、连接等事件
	khubd_task = kthread_run(hub_thread, NULL, "khubd");
	if (!IS_ERR(khubd_task))
		return 0;

	/* Fall through if kernel_thread failed */
	usb_deregister(&hub_driver);
	printk(KERN_ERR "%s: can't start khubd\n", usbcore_name);

	return -1;
}

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


static int hub_thread(void *__unused)
{
	do {
        /*
        hub_events()是一个死循环，其任务是解析hub_event_list，
        来一个一个处理发生在hub上的事件，比如插入，拔出。
        当hub_event_list事件被处理完后，break跳出while，
        通过wait_event_freezable使进程进入休眠态。
        一旦hub_event_list上有新事件需要处理，此处khubd_wait会在事件中断中被唤醒，
        重新执行到此处的hub_events()来遍历执行事件，完成处理。
        */
		hub_events();
		wait_event_interruptible(khubd_wait,
				!list_empty(&hub_event_list) ||
				kthread_should_stop());
		try_to_freeze();
	} while (!kthread_should_stop() || !list_empty(&hub_event_list));

	pr_debug("%s: khubd exiting\n", usbcore_name);
	return 0;
}

3.1.3.1 khubd_wait 的唤醒

hub_probe ->    
    hub_configure ->
        usb_fill_int_urb(hub->urb, hdev, pipe, *hub->buffer, maxp, hub_irq,
                hub, endpoint->bInterval);
        // usb_fill_int_urb 接口创建了一个中断类型的 USB请求控制块
            hub_irq -> 
                kick_khubd(hub) ->
                    wake_up(&khubd_wait);
    

hub_probe 在后面向USB总线注册一个和hub驱动匹配的hub设备时会被调用。

3.1.4 注册USB设备驱动

// 在usb总线注册USB设备驱动，该驱动被放在usb总线的驱动链表中。
retval = usb_register_device_driver(&usb_generic_driver, THIS_MODULE);
if (!retval)
    goto out;

struct usb_device_driver usb_generic_driver = {
	.name =	"usb",
	.probe = generic_probe,
	.disconnect = generic_disconnect,
#ifdef	CONFIG_PM
	.suspend = generic_suspend,
	.resume = generic_resume,
#endif
	.supports_autosuspend = 1,
};

3.1.5 usb_register 和 usb_register_device_driver

usb_register 注册一个USB接口驱动，一个设备可以有多个接口，一个接口表示一种功能。比如USB声卡设备，有两个接口，一个播放接口，一个录音接口。

// linux-2.6.22.6/include/linux/usb.h
static inline int usb_register(struct usb_driver *driver)
{
	return usb_register_driver(driver, THIS_MODULE, KBUILD_MODNAME);
}

// linux-2.6.22.6/drivers/usb/core/driver.c
int usb_register_driver(struct usb_driver *new_driver, struct module *owner,
			const char *mod_name)
{
	int retval = 0;

	if (usb_disabled())
		return -ENODEV;

	new_driver->drvwrap.for_devices = 0;
	new_driver->drvwrap.driver.name = (char *) new_driver->name;
	new_driver->drvwrap.driver.bus = &usb_bus_type;
    // 对应的usb接口“设备”被匹配时，首先会调用usb_probe_interface，然后在该接口中调用driver的probe
	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;
	spin_lock_init(&new_driver->dynids.lock);
	INIT_LIST_HEAD(&new_driver->dynids.list);

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

	if (!retval) {
		pr_info("%s: registered new interface driver %s\n",
			usbcore_name, new_driver->name);
		usbfs_update_special();
		usb_create_newid_file(new_driver);
	} else {
		printk(KERN_ERR "%s: error %d registering interface "
			"	driver %s\n",
			usbcore_name, retval, new_driver->name);
	}

	return retval;
}

usb_register_device_driver 注册一个通用USB设备驱动，而不是USB接口驱动。

// linux-2.6.22.6/drivers/usb/core/driver.c
int usb_register_device_driver(struct usb_device_driver *new_udriver,
		struct module *owner)
{
	int retval = 0;

	if (usb_disabled())
		return -ENODEV;
    // for_devices = 1 将和USB设备匹配成功
	new_udriver->drvwrap.for_devices = 1;
	new_udriver->drvwrap.driver.name = (char *) new_udriver->name;
	new_udriver->drvwrap.driver.bus = &usb_bus_type;
    // 对应的usb设备被匹配时，首先会调用usb_probe_device，然后在该接口中调用driver的probe
	new_udriver->drvwrap.driver.probe = usb_probe_device;
	new_udriver->drvwrap.driver.remove = usb_unbind_device;
	new_udriver->drvwrap.driver.owner = owner;

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

	if (!retval) {
		pr_info("%s: registered new device driver %s\n",
			usbcore_name, new_udriver->name);
		usbfs_update_special();
	} else {
		printk(KERN_ERR "%s: error %d registering device "
			"	driver %s\n",
			usbcore_name, retval, new_udriver->name);
	}

	return retval;
}

3.1.6 总结

USB core注册了一个USB总线，并向USB总线中注册了三个驱动，分别是USB接口驱动、HUB驱动、USB设备驱动。其中在注册HUB驱动前创建了一个hub_thread线程，用来处理hub上USB设备事件，比如插入和拔出；在HUB驱动的probe函数中，创建了一个urb并为其注册了一个中断处理函数hub_irq，用来唤醒hub_thread线程来处理USB设备事件。

3.2 USB主机控制器驱动(HCD)

USB HCD注册在平台总线上。用来处理主机控制器的初始化以及数据的传输，并监测外部设备插入、拔出，完成设备枚举。

3.2.1 USB主机控制器-设备

// linux-2.6.22.6/arch/arm/mach-s3c2440/mach-smdk2440.c 
// 这个流程和之前分析的lcd、tp一致。
MACHINE_START(S3C2440, "SMDK2440")
	/* Maintainer: Ben Dooks <ben@fluff.org> */
	.phys_io	= S3C2410_PA_UART,
	.io_pg_offst	= (((u32)S3C24XX_VA_UART) >> 18) & 0xfffc,
	.boot_params	= S3C2410_SDRAM_PA + 0x100,

	.init_irq	= s3c24xx_init_irq,
	.map_io		= smdk2440_map_io,
	.init_machine	= smdk2440_machine_init,
	.timer		= &s3c24xx_timer,
MACHINE_END


static void __init smdk2440_machine_init(void)
{
	s3c24xx_fb_set_platdata(&smdk2440_lcd_cfg);

	platform_add_devices(smdk2440_devices, ARRAY_SIZE(smdk2440_devices));
	smdk_machine_init();
}

static struct platform_device *smdk2440_devices[] __initdata = {
	&s3c_device_usb,
	&s3c_device_lcd,
	&s3c_device_wdt,
	&s3c_device_i2c,
	&s3c_device_iis,
    &s3c2440_device_sdi,
};

// linux-2.6.22.6/arch/arm/plat-s3c24xx/devs.c
struct platform_device s3c_device_usb = {
	.name		  = "s3c2410-ohci",
	.id		  = -1,
	.num_resources	  = ARRAY_SIZE(s3c_usb_resource),
	.resource	  = s3c_usb_resource,
	.dev              = {
		.dma_mask = &s3c_device_usb_dmamask,
		.coherent_dma_mask = 0xffffffffUL
	}
};

3.2.2 USB主机控制器-驱动

// linux-2.6.22.6/.config
CONFIG_ARCH_S3C2410=y

// linux-2.6.22.6/drivers/usb/host/ohci-hcd.c
#ifdef CONFIG_ARCH_S3C2410
#include "ohci-s3c2410.c"
#define PLATFORM_DRIVER		ohci_hcd_s3c2410_driver
#endif

static int __init ohci_hcd_mod_init(void)
{
	int retval = 0;

	if (usb_disabled())
		return -ENODEV;

	printk (KERN_DEBUG "%s: " DRIVER_INFO "\n", hcd_name);
	pr_debug ("%s: block sizes: ed %Zd td %Zd\n", hcd_name,
		sizeof (struct ed), sizeof (struct td));

#ifdef PS3_SYSTEM_BUS_DRIVER
	if (firmware_has_feature(FW_FEATURE_PS3_LV1)) {
		retval = ps3_system_bus_driver_register(
				&PS3_SYSTEM_BUS_DRIVER);
		if (retval < 0)
			goto error_ps3;
	}
#endif

#ifdef PLATFORM_DRIVER
	retval = platform_driver_register(&PLATFORM_DRIVER);
	if (retval < 0)
		goto error_platform;
#endif

#ifdef OF_PLATFORM_DRIVER
	retval = of_register_platform_driver(&OF_PLATFORM_DRIVER);
	if (retval < 0)
		goto error_of_platform;
#endif

#ifdef SA1111_DRIVER
	retval = sa1111_driver_register(&SA1111_DRIVER);
	if (retval < 0)
		goto error_sa1111;
#endif

#ifdef PCI_DRIVER
	retval = pci_register_driver(&PCI_DRIVER);
	if (retval < 0)
		goto error_pci;
#endif

	return retval;

	/* Error path */
#ifdef PCI_DRIVER
 error_pci:
#endif
#ifdef SA1111_DRIVER
	sa1111_driver_unregister(&SA1111_DRIVER);
 error_sa1111:
#endif
#ifdef OF_PLATFORM_DRIVER
	of_unregister_platform_driver(&OF_PLATFORM_DRIVER);
 error_of_platform:
#endif
#ifdef PLATFORM_DRIVER
	platform_driver_unregister(&PLATFORM_DRIVER);
 error_platform:
#endif
#ifdef PS3_SYSTEM_BUS_DRIVER
	if (firmware_has_feature(FW_FEATURE_PS3_LV1))
		ps3_system_bus_driver_unregister(&PS3_SYSTEM_BUS_DRIVER);
 error_ps3:
#endif
	return retval;
}
module_init(ohci_hcd_mod_init);

// linux-2.6.22.6/drivers/usb/host/ohci-s3c2410.c
static struct platform_driver ohci_hcd_s3c2410_driver = {
	.probe		= ohci_hcd_s3c2410_drv_probe,
	.remove		= ohci_hcd_s3c2410_drv_remove,
	.shutdown	= usb_hcd_platform_shutdown,
	/*.suspend	= ohci_hcd_s3c2410_drv_suspend, */
	/*.resume	= ohci_hcd_s3c2410_drv_resume, */
	.driver		= {
		.owner	= THIS_MODULE,
		.name	= "s3c2410-ohci",
	},
};

3.2.3 USB主机控制器设备和驱动的匹配

platform_driver_register->
	driver_register->
		bus_add_driver->
			driver_attach->
				bus_for_each_dev-> // 从平台总线的的设备链表中，取出每一项设备进行匹配
					__driver_attach->
                        driver_probe_device->
                            // 此总线类型为平台总线，其存在match函数，即调用platform_match进行匹配
                            if (drv->bus->match && !drv->bus->match(dev, drv))                            
    
// 平台总线                            
struct bus_type platform_bus_type = {
	.name		= "platform",
	.dev_attrs	= platform_dev_attrs,
	.match		= platform_match,
	.uevent		= platform_uevent,
	.suspend	= platform_suspend,
	.suspend_late	= platform_suspend_late,
	.resume_early	= platform_resume_early,
	.resume		= platform_resume,
};              

static int platform_match(struct device * dev, struct device_driver * drv)
{
	struct platform_device *pdev = container_of(dev, struct platform_device, dev);
    
    // 平台总线匹配设备和驱动的名称
	return (strncmp(pdev->name, drv->name, BUS_ID_SIZE) == 0);
}

// ohci 设备   name = "s3c2410-ohci"
struct platform_device s3c_device_usb = {
	.name		  = "s3c2410-ohci",
	.id		  = -1,
	.num_resources	  = ARRAY_SIZE(s3c_usb_resource),
	.resource	  = s3c_usb_resource,
	.dev              = {
		.dma_mask = &s3c_device_usb_dmamask,
		.coherent_dma_mask = 0xffffffffUL
	}
};

// ohci 驱动 name	= "s3c2410-ohci"
static struct platform_driver ohci_hcd_s3c2410_driver = {
	.probe		= ohci_hcd_s3c2410_drv_probe,
	.remove		= ohci_hcd_s3c2410_drv_remove,
	.shutdown	= usb_hcd_platform_shutdown,
	/*.suspend	= ohci_hcd_s3c2410_drv_suspend, */
	/*.resume	= ohci_hcd_s3c2410_drv_resume, */
	.driver		= {
		.owner	= THIS_MODULE,
		.name	= "s3c2410-ohci",
	},
};                                

匹配成功调用驱动的probe函数。

driver_probe_device-> // 在此函数中匹配成功的话，就会去调用驱动的probe函数
    really_probe->
        drv->probe(dev)

3.2.4 USB主机控制器驱动的probe函数

ohci_hcd_s3c2410_drv_probe -> 
    usb_hcd_s3c2410_probe ->
        usb_add_hcd -> 
            rhdev = usb_alloc_dev
            hcd->self.root_hub = rhdev
            register_root_hub -> 
                usb_new_device ->
                    device_add ->     
                        bus_attach_device ->
                            device_attach -> 
                                bus_for_each_drv -> // 从usb总线的的驱动链表中，取出每一项驱动进行匹配
                                    __device_attach ->
                                        driver_probe_device ->
                                            // 此总线类型为USB总线，其存在match函数，即调用usb_device_match进行匹配
                                            if (drv->bus->match && !drv->bus->match(dev, drv)) 
                                                driver_probe_device-> // 在此函数中匹配成功的话，就会去调用驱动的probe函数
                                                    really_probe->
                                                        drv->probe(dev)

3.2.4.1 usb_device_match

static inline int is_usb_device(const struct device *dev)
{
	return dev->type == &usb_device_type;
}

/* Do the same for device drivers and interface drivers. */

static inline int is_usb_device_driver(struct device_driver *drv)
{
    // struct device_driver 中 struct usbdrv_wrap 中的for_devices变量为1，则为USB设备驱动
    // 上节USB Core中向USB总线注册的USB设备驱动中有将该变量设置为1（new_udriver->drvwrap.for_devices = 1;）
	return container_of(drv, struct usbdrv_wrap, driver)->
			for_devices;
}

static int usb_device_match(struct device *dev, struct device_driver *drv)
{
	// USB设备 和 USB接口“设备”分开处理 
	/* devices and interfaces are handled separately */
	if (is_usb_device(dev)) {
		// 处理USB设备
		/* interface drivers never match devices */
		if (!is_usb_device_driver(drv))
			return 0;

		/* TODO: Add real matching code */
		return 1;

	} else {
        // 处理USB接口设备
		struct usb_interface *intf;
		struct usb_driver *usb_drv;
		const struct usb_device_id *id;

		/* device drivers never match interfaces */
		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;
}

probe 向USB总线注册一个root hub 设备，从usb总线的的驱动链表中，取出每一项驱动进行匹配。在USB Core中已经向总线注册了三个驱动（USB设备驱动、USB接口驱动、USB hub驱动），根据条件匹配到USB设备驱动，则去调用USB设备驱动的probe函数。

3.2.4.2 USB设备驱动的probe函数

generic_probe(struct usb_device *udev) -> // 从上分析流程知udev为USB root hub设备 
    usb_set_configuration ->
        device_add ->  // 创建USB接口设备，USB root hub接口设备被创建

之后匹配到USB Core中注册的USB hub驱动，执行USB hub驱动的probe函数，该probe函数中，创建了一个urb并为其注册了一个中断处理函数hub_irq，用来唤醒hub_thread线程来处理USB设备事件（插入、拔出）。至此，系统启动初始化时关于USB的内容分析完成。USB Core和USB HCD的成功建立联系，为之后的USB设备驱动提供API。

四，USB设备驱动 – USB鼠标

用于和枚举到的USB设备进行绑定，完成特定的功能。
比如USB鼠标设备，驱动开发主要是这一块代码的coding。

4.1 注册一个USB接口驱动

向USB总线注册一个USB接口驱动

// linux-2.6.22.6/drivers/hid/usbhid/usbmouse.c

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

static int __init usb_mouse_init(void)
{
	int retval = usb_register(&usb_mouse_driver);
	if (retval == 0)
		info(DRIVER_VERSION ":" DRIVER_DESC);
	return retval;
}

4.2 USB接口设备的创建

当一个USB 鼠标设备插入后，主机USB控制器检测到后，触发USB设备集线器中的"中断"处理函数hub_irq。在hub_irq中会获取USB鼠标设备的设备描述符，根据设备描述符创建USB接口设备，从而和这边的USB接口驱动匹配，调用其probe函数，通过USB总线驱动程序（USB Core和USB HCD）和USB鼠标设备建立联系，进而操作（读写控制）该设备。

hub_irq
	kick_khubd // 唤醒hub_thread线程
		hub_thread
			hub_events // 处理USB设备插入事件
				hub_port_connect_change
				
					udev = usb_alloc_dev(hdev, hdev->bus, port1);
								dev->dev.bus = &usb_bus_type;
				
					choose_address(udev); // 给新设备分配编号(地址)										
					hub_port_init   // usb 1-1: new full speed USB device using s3c2410-ohci and address 3
						
						hub_set_address  // 把编号(地址)告诉USB设备
						
						usb_get_device_descriptor(udev, 8); // 获取设备描述符
						retval = usb_get_device_descriptor(udev, USB_DT_DEVICE_SIZE);
						
						usb_new_device(udev)   
							err = usb_get_configuration(udev); // 把所有的描述符都读出来，并解析
							usb_parse_configuration
							
							device_add  // 把device放入usb_bus_type的dev链表, 
							            // 从usb_bus_type的driver链表里取出usb_driver，
							            // 把usb_interface和usb_driver的id_table比较
							            // 如果能匹配，调用usb_driver的probe

4.3 USB接口驱动和USB接口设备的匹配

USB设备插入后根据获取到的设备描述符所创建的USB 接口设备和开发的USB接口驱动匹配：
对于设备：
将获取到的USB设备描述符信息保存在其id_table中。
对于驱动：
驱动的id_table中存放，期望该驱动适用的USB设备。

// linux-2.6.22.6/drivers/hid/usbhid/usbmouse.c

static struct usb_device_id usb_mouse_id_table [] = {  
    /*
    匹配 HID 设备
    USB 设备中有一大类就是 HID 设备，即 Human Interface Devices，人机接口设备。
    这类设备包括鼠标、键盘等，主要用于人与计算机进行交互。 
    它是 USB 协议最早支持的一种设备类。 
    HID 设备可以作为低速、全速、高速设备用。
    由于 HID 设备要求用户输入能得到及时响应，故其传输方式通常采用中断方式。
    */
	{ USB_INTERFACE_INFO(USB_INTERFACE_CLASS_HID, USB_INTERFACE_SUBCLASS_BOOT,
		USB_INTERFACE_PROTOCOL_MOUSE) },
	{ }	/* Terminating entry */
};

匹配成功后调用该驱动的probe函数，具体的过程和前面分析的差不多。接下来就是在probe函数中，和USB总线驱动程序建立联系，以达到操作USB 鼠标设备的目的。

4.4 创建数据传输管道

根据数据传输类型，有几个接口可供调用

/* Create various pipes... */
// 控制传输
#define usb_sndctrlpipe(dev,endpoint)	\
	((PIPE_CONTROL << 30) | __create_pipe(dev,endpoint))
#define usb_rcvctrlpipe(dev,endpoint)	\
	((PIPE_CONTROL << 30) | __create_pipe(dev,endpoint) | USB_DIR_IN)
// 实时传输
#define usb_sndisocpipe(dev,endpoint)	\
	((PIPE_ISOCHRONOUS << 30) | __create_pipe(dev,endpoint))
#define usb_rcvisocpipe(dev,endpoint)	\
	((PIPE_ISOCHRONOUS << 30) | __create_pipe(dev,endpoint) | USB_DIR_IN)
// 批量传输
#define usb_sndbulkpipe(dev,endpoint)	\
	((PIPE_BULK << 30) | __create_pipe(dev,endpoint))
#define usb_rcvbulkpipe(dev,endpoint)	\
	((PIPE_BULK << 30) | __create_pipe(dev,endpoint) | USB_DIR_IN)
// 中断传输
#define usb_sndintpipe(dev,endpoint)	\
	((PIPE_INTERRUPT << 30) | __create_pipe(dev,endpoint))
#define usb_rcvintpipe(dev,endpoint)	\
	((PIPE_INTERRUPT << 30) | __create_pipe(dev,endpoint) | USB_DIR_IN)

对于USB 鼠标设备，使用中断传输方式

// linux-2.6.22.6/drivers/hid/usbhid/usbmouse.c

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;

endpoint = &interface->endpoint[0].desc;
if (!usb_endpoint_is_int_in(endpoint))
    return -ENODEV;

// 端点是USB设备数据传输对象
pipe = usb_rcvintpipe(dev, endpoint->bEndpointAddress);
maxp = usb_maxpacket(dev, pipe, usb_pipeout(pipe));

4.5 分配urb

urb（USB Request Block）是Linux内核中USB驱动实现上的一个数据结构，用于组织每一次的USB设备驱动的数据传输请求。

mouse->irq = usb_alloc_urb(0, GFP_KERNEL);
if (!mouse->irq)
    goto fail2;

4.6 urb数据结构初始化

根据传输类型，有几个接口可供调用。

// 控制
static inline void usb_fill_control_urb(struct urb *urb,
					struct usb_device *dev,
					unsigned int pipe,
					unsigned char *setup_packet,
					void *transfer_buffer,
					int buffer_length,
					usb_complete_t complete_fn,
					void *context)
// 中断
static inline void usb_fill_int_urb(struct urb *urb,
				    struct usb_device *dev,
				    unsigned int pipe,
				    void *transfer_buffer,
				    int buffer_length,
				    usb_complete_t complete_fn,
				    void *context,
				    int interval)
// 批量

static inline void usb_fill_bulk_urb(struct urb *urb,
				     struct usb_device *dev,
				     unsigned int pipe,
				     void *transfer_buffer,
				     int buffer_length,
				     usb_complete_t complete_fn,
				     void *context)
    
// 实时   
// 实时urb 没有和中断、控制、批量urb 类似的初始化函数，因此它们在提交到USB核心之前，需要在驱动程序中手动的初始化    
    

对于USB鼠标设备，采用中断传输方式

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;

4.7 提交USB请求块

调用usb_submit_urb接口以获取USB设备数据。

// linux-2.6.22.6/drivers/hid/usbhid/usbmouse.c

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

	mouse->irq->dev = mouse->usbdev;
	if (usb_submit_urb(mouse->irq, GFP_KERNEL))
		return -EIO;

	return 0;
}

该USB鼠标设备驱动还涉及输入子系统的内容，之前已经分析过，不在此再次记录。

4.8 总结

USB驱动开发，针对某一个USB设备的某个功能（接口）构建的驱动程序。USB驱动并不直接和USB设备进行数据交互，而是通过USB总线驱动程序（USB Core和USB HCD）来操作USB设备的。一般构建USB设备驱动的流程为：

• 根据期望适用的USB设备信息构建一个id_table。
• 根据需要的数据传输类型，调用相应的接口创建数据传输管道。
• 分配一个urb(USB请求块)。
• 根据需要的数据传输类型，调用相应的接口进行urb数据结构初始化。
• 提交urb

五，实现一个USB设备驱动程序

#include <linux/kernel.h>
#include <linux/slab.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/usb/input.h>
#include <linux/hid.h>

static struct input_dev *uk_dev;
static char *usb_buf;
static dma_addr_t usb_buf_phys;
static int len;
static struct urb *uk_urb;

static struct usb_device_id usbmouse_as_key_id_table [] = {
	// 匹配HID，鼠标设备
	{ USB_INTERFACE_INFO(USB_INTERFACE_CLASS_HID, USB_INTERFACE_SUBCLASS_BOOT,
		USB_INTERFACE_PROTOCOL_MOUSE) },
	//{USB_DEVICE(0x1234,0x5678)},
	{ }	/* Terminating entry */
};

static void usbmouse_as_key_irq(struct urb *urb)
{
	static unsigned char pre_val;

	/* USB鼠标数据含义
	 * data[0]: bit0-左键, 1-按下, 0-松开
	 *          bit1-右键, 1-按下, 0-松开
	 *          bit2-中键, 1-按下, 0-松开 
	 *
     */

	if ((pre_val & (1<<0)) != (usb_buf[0] & (1<<0)))
	{
		/* 左键发生了变化 */
		input_event(uk_dev, EV_KEY, KEY_L, (usb_buf[0] & (1<<0)) ? 1 : 0);
		input_sync(uk_dev);
	}

	if ((pre_val & (1<<1)) != (usb_buf[0] & (1<<1)))
	{
		/* 右键发生了变化 */
		input_event(uk_dev, EV_KEY, KEY_S, (usb_buf[0] & (1<<1)) ? 1 : 0);
		input_sync(uk_dev);
	}

	if ((pre_val & (1<<2)) != (usb_buf[0] & (1<<2)))
	{
		/* 中键发生了变化 */
		input_event(uk_dev, EV_KEY, KEY_ENTER, (usb_buf[0] & (1<<2)) ? 1 : 0);
		input_sync(uk_dev);
	}
	
	pre_val = usb_buf[0];

	/* 重新提交urb */
	usb_submit_urb(uk_urb, GFP_KERNEL);
}

static int usbmouse_as_key_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;
	int pipe;
	
	interface = intf->cur_altsetting;
	endpoint = &interface->endpoint[0].desc;

	/* a. 分配一个input_dev */
	uk_dev = input_allocate_device();
	
	/* b. 设置 */
	/* b.1 能产生哪类事件 */
	set_bit(EV_KEY, uk_dev->evbit);
	set_bit(EV_REP, uk_dev->evbit);
	
	/* b.2 能产生哪些事件 */
	set_bit(KEY_L, uk_dev->keybit);
	set_bit(KEY_S, uk_dev->keybit);
	set_bit(KEY_ENTER, uk_dev->keybit);
	
	/* c. 注册 */
	input_register_device(uk_dev);
	
	/* d. 硬件相关操作 */
	/* 数据传输3要素: 源,目的,长度 */
	/* 源: USB设备的某个端点 */

	// 创建数据传输管道
	pipe = usb_rcvintpipe(dev, endpoint->bEndpointAddress);

	/* 长度: */
	len = endpoint->wMaxPacketSize;

	/* 目的: */
	usb_buf = usb_buffer_alloc(dev, len, GFP_ATOMIC, &usb_buf_phys);

	/* 使用"3要素" */
	/* 分配usb request block */
	uk_urb = usb_alloc_urb(0, GFP_KERNEL);
	/* 使用"3要素设置urb" */
	// 初始化urb数据结构
	usb_fill_int_urb(uk_urb, dev, pipe, usb_buf, len, usbmouse_as_key_irq, NULL, endpoint->bInterval);
	uk_urb->transfer_dma = usb_buf_phys;
	uk_urb->transfer_flags |= URB_NO_TRANSFER_DMA_MAP;

	/* 使用URB */
	// 提交urb，以读取usb设备数据。
	usb_submit_urb(uk_urb, GFP_KERNEL);
	
	return 0;
}

static void usbmouse_as_key_disconnect(struct usb_interface *intf)
{
	struct usb_device *dev = interface_to_usbdev(intf);

	//printk("disconnect usbmouse!\n");
	usb_kill_urb(uk_urb);
	usb_free_urb(uk_urb);

	usb_buffer_free(dev, len, usb_buf, usb_buf_phys);
	input_unregister_device(uk_dev);
	input_free_device(uk_dev);
}

/* 1. 分配/设置usb_driver */
static struct usb_driver usbmouse_as_key_driver = {
	.name		= "usbmouse_as_key_",
	.probe		= usbmouse_as_key_probe,
	.disconnect	= usbmouse_as_key_disconnect,
	.id_table	= usbmouse_as_key_id_table,
};


static int usbmouse_as_key_init(void)
{
	/* 2. 注册 */
	usb_register(&usbmouse_as_key_driver);
	return 0;
}

static void usbmouse_as_key_exit(void)
{
	usb_deregister(&usbmouse_as_key_driver);	
}

module_init(usbmouse_as_key_init);
module_exit(usbmouse_as_key_exit);

MODULE_LICENSE("GPL");