一、USB總線驅動程序的作用

a）識別USB設備

1.1 分配地址
1.2 并告訴USB設備(set address)
1.3 發出命令獲取描述符

b）查找并安裝對應的設備驅動程序

c）提供USB讀寫函數

二、USB設備工作流程

由于內核自帶了USB驅動,所以我們先插入一個USB鍵盤到開發板上看打印信息發現以下字段:

如下圖,找到第一段話是位于drivers/usb/core/hub.c的第2186行：

這個hub其實就是我們的USB主機控制器的集線器,用來管理多個USB接口

以下是USB設備插入后內核中的工作流程

hub_irqkick_khubdhub_threadhub_eventshub_port_connectudev = usb_alloc_dev(hdev, hdev->bus, port1);dev->dev.bus = &usb_bus_type;/*注冊到USB總線上*/choose_devnum(udev); // 給新設備分配編號(地址)hub_port_init()   // usb 1-1: new full speed USB device using s3c2410-ohci and address 3hub_set_address  // 把編號(地址)告訴USB設備usb_get_device_descriptor(udev, 8); // 獲取設備描述符retval = usb_get_device_descriptor(udev, USB_DT_DEVICE_SIZE);usb_new_device(udev)   err = usb_get_configuration(udev); // 把所有的描述符都讀出來，并解析usb_parse_configurationdevice_add  // 把device放入usb_bus_type的dev鏈表, // 從usb_bus_type的driver鏈表里取出usb_driver，// 把usb_interface和usb_driver的id_table比較// 如果能匹配，調用usb_driver的probe

以下是設備插入后的完整流程，包括設備和接口的匹配與注冊：

硬件--主機控制器：

1. 設備插入，產生中斷: USB主機控制器檢測到新設備，觸發硬件中斷。

內核--USB核心層：

1. 分配設備地址: 處理中斷，內核分配唯一設備地址，并將usb_device注冊到總線上

2. 獲取并解析設備描述符: 內核請求并解析設備描述符。

3. 獲取并解析配置描述符: 內核請求并解析配置描述符，包括接口和端點描述符。

4. 注冊接口: 為每個接口創建 usb_interface 結構，每個接口作為一個獨立的設備進行注冊，內核通過調用 device_add 將每個接口注冊到設備模型中。

5. 匹配接口驅動: 內核調用 usb_device_match 查找并匹配接口驅動。如果找到匹配的驅動，調用驅動的 probe 函數。

內核--設備驅動層：

? ? ? ?1、具體的設備驅動driver實現（probe，usb_register_driver等）

關鍵點

• 設備和接口層次：

  • 整個USB設備有一個頂層的 usb_device 結構體，該結構體管理設備的整體信息。
  • 每個接口有一個 usb_interface 結構體，表示設備的一個獨立功能單元。

• 驅動程序匹配：

  • 頂層的 usb_device 結構體一般不會直接匹配到驅動程序。驅動程序的匹配主要發生在接口層次，通過 usb_interface 結構體進行。但有一些驅動程序是針對整個 USB 設備的，而不是單個接口。例如，某些 USB 設備驅動程序（usb_device_driver）可能需要管理整個設備，而不僅僅是某個特定接口。通過這種設計，USB 核心可以靈活地支持設備級和接口級的驅動程序匹配。
  • 內核通過解析設備的配置描述符，發現設備包含的所有接口，并為每個接口匹配對應的驅動程序。

三、相關概念補充

1、USB描述符的層次及定義

• USB設備描述符（usb_device_descriptor）
  • USB配置描述符（usb_config_descriptor）
    • USB接口描述符（usb_interface_descriptor）
      • USB端點描述符（usb_endpoint_descriptor）

一個設備描述符可以有多個配置描述符；
一個配置描述符可以有多個接口描述符（比如聲卡驅動就有兩個接口：錄音接口和播放接口）
一個接口描述符可以有多個端點描述符；

設備描述符結構體如下：（位于include\linux\usb\Ch9.h）

struct usb_device_descriptor {__u8  bLength;					//本描述符的size__u8  bDescriptorType;         //描述符的類型，這里是設備描述符DEVICE__u16 bcdUSB;                  //指明usb的版本，比如usb2.0__u8  bDeviceClass;            //類__u8  bDeviceSubClass;         //子類__u8  bDeviceProtocol;         //指定協議__u8  bMaxPacketSize0;         //端點0對應的最大包大小__u16 idVendor;                //廠家ID__u16 idProduct;               //產品ID__u16 bcdDevice;               //設備的發布號__u8  iManufacturer;           //字符串描述符中廠家ID的索引__u8  iProduct;                //字符串描述符中產品ID的索引__u8  iSerialNumber;           //字符串描述符中設備序列號的索引__u8  bNumConfigurations;      //配置描述符的個數,表示有多少個配置描述符
} __attribute__ ((packed));

配置描述符如下：

struct usb_config_descriptor {   __u8  bLength;                   //描述符的長度__u8  bDescriptorType;           //描述符類型的編號__le16 wTotalLength;               //配置所返回的所有數據的大小__u8  bNumInterfaces;              //配置所支持的接口個數, 表示有多少個接口描述符__u8  bConfigurationValue;         //Set_Configuration命令需要的參數值__u8  iConfiguration;              //描述該配置的字符串的索引值__u8  bmAttributes;                //供電模式的選擇__u8  bMaxPower;                   //設備從總線提取的最大電流
} __attribute__ ((packed));

接口描述符如下：

struct usb_interface_descriptor {  __u8  bLength;                    //描述符的長度__u8  bDescriptorType;            //描述符類型的編號__u8  bInterfaceNumber;           //接口的編號__u8  bAlternateSetting;          //備用的接口描述符編號,提供不同質量的服務參數.__u8  bNumEndpoints;              //要使用的端點個數(不包括端點0), 表示有多少個端點描述符,比如鼠標就只有一個端點__u8  bInterfaceClass;            //接口類型,與驅動的id_table對應__u8  bInterfaceSubClass;         //接口子類型__u8  bInterfaceProtocol;         //接口所遵循的協議__u8  iInterface;                 //描述該接口的字符串索引值} __attribute__ ((packed)

關于描述符的解析，由下圖可知，以控制接口為例，接口描述符中寫明了CT、IT等端口的信息。

?對于端口具體細節可以看這篇UVC 1.5 Class Specification 簡解_uvc1.5-CSDN博客

2、USB的.match()函數

static int usb_device_match(struct device *dev, struct device_driver *drv)
{/* devices and interfaces are handled separately */設備和接口分別處理if (is_usb_device(dev)) {            首先，檢查 dev 是否是 USB 設備。如果是，則執行以下代碼塊struct usb_device *udev;struct usb_device_driver *udrv;/* interface drivers never match devices */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   檢查驅動程序的 id_table 和 match 函數* 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);} else if (is_usb_interface(dev)) {    檢查是否為 USB 接口，如果 dev 是 USB 接口，則執行以下代碼塊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))        如果驅動程序 drv 是 USB 設備驅動程序，則直接返回 0，表示不匹配。return 0;intf = to_usb_interface(dev);usb_drv = to_usb_driver(drv);id = usb_match_id(intf, usb_drv->id_table);    嘗試匹配usb接口和接口驅動程序if (id)return 1;id = usb_match_dynamic_id(intf, usb_drv);if (id)return 1;}return 0;
}

這段代碼邏輯通過檢查設備和驅動程序類型，并利用不同的匹配方法（如 id_table、match 函數和動態匹配）來判斷設備和驅動程序是否適配。對于設備驅動程序和接口驅動程序的匹配邏輯分別進行了處理。

3、USB的probe（）函數

此處以uvc_driver.c中的probe為例

uvc_probekzalloc //分配video_deviceuvc_register_chains  uvc_register_terms  uvc_register_videovdev->v4l2_dev = &dev->vdev; //設置video_devicevdev->fops = &uvc_fops; vdev->ioctl_ops = &uvc_ioctl_ops;vdev->release = uvc_release;video_register_device //注冊video_device

具體對probe函數的分析可以看這篇：UVC 設備框架在 Linux 4.15 內核的演變_v4l2 核心在嘗試映射 uvc 控件時找不到相應的文件或目錄-CSDN博客

四、相關問題梳理

1、關于驅動和設備接口注冊

與platform_driver、i2c_driver類似，usb_driver起到了牽線的作用，即在probe（）函數里注冊相應的字符、tty設備（此處usb中注冊的是接口設備），在disconnect（）函數里注銷相應的設備，而原先對設備的注冊和注銷一般直接發生在模塊加載和卸載函數中。

2、USB驅動用idtable匹配，不用設備樹來描寫硬件信息嗎

USB是熱插拔的，不用在dts中描述，如果寫了板子上有一個U盤，但實際上沒有，其實反而是制造了麻煩，相反，如果沒有寫，U盤一旦插入，LinuxUSB子系統會自動探測到一個U盤。

• 固定硬件配置：

  • 設備樹適用于那些硬件配置相對固定的系統，這些系統的硬件在設計和制造時已經確定。設備樹提供了一種靜態描述硬件的方法，適合用于固件或操作系統在啟動時配置硬件。
  • 示例：單板計算機、嵌入式系統中的 SoC（系統級芯片）。

• 動態硬件配置：

  • 對于那些硬件配置可能會動態改變的系統，例如支持熱插拔設備的系統，通常不使用設備樹，而是依賴于總線驅動和熱插拔機制（如 USB、PCIe）來動態識別和配置硬件。
  • 示例：PC 平臺中的 USB 設備、PCIe 設備。

3、USB驅動注冊時要分設備和接口嗎，設備驅動和接口驅動具體有什么不同（存疑）

驅動其實是與設備的邏輯接口進行匹配，有幾個接口匹配成功probe函數就調用幾次

4、USB的熱插拔機制

USB（通用串行總線）的熱插拔機制使得用戶可以在系統運行時隨時連接或斷開USB設備，而無需重新啟動系統。熱插拔的實現依賴于硬件和軟件的緊密配合，下面具體講解其工作原理和機制。

硬件層面

1. 電氣信號檢測：

   • USB接口有專門的引腳用于檢測設備的插入和拔出。USB主機控制器能夠檢測這些信號的變化。
   • 當USB設備插入時，VBUS電壓上升，主機控制器檢測到電壓變化，并開始通信初始化過程。

2. 數據線信號檢測：

   • USB接口的D+和D-數據線在設備連接時會產生特定的電壓信號。主機控制器通過這些信號確認設備的連接。

軟件層面

1. 設備檢測與枚舉：

   • 當檢測到設備連接時，USB主機控制器會發出一個設備復位信號（Reset Signal），這會將設備置于已知狀態。
   • 復位完成后，主機開始與設備通信，獲取設備的描述符信息。這包括設備的類型、制造商、產品ID等。
   • 主機通過這些描述符信息來確定設備的驅動程序，并在操作系統中為設備創建相應的節點。

2. 驅動加載：

   • 基于設備的描述符信息，操作系統會搜索并加載相應的驅動程序。驅動程序負責與設備進行高層次的通信。
   • 如果是一個存儲設備，操作系統會掛載設備并創建一個文件系統節點；如果是一個輸入設備（如鍵盤或鼠標），則系統會準備好接收輸入事件。

3. 事件通知：

   • 當設備被插入或移除時，內核會生成一個熱插拔事件（hotplug event），并通知用戶空間的管理進程（如udev）。這些進程可以執行相應的腳本或命令，以便用戶可以看到設備的狀態變化。

Linux 內核中的熱插拔機制

Linux 內核通過多個子系統和框架來支持USB的熱插拔：

1. USB Core 子系統：

   • 處理USB設備的檢測、枚舉和基礎通信。
   • 提供API和機制供上層驅動程序調用。

2. USB Host Controller Drivers (HCD)：

   • 實現與具體硬件的交互，如EHCI、OHCI、UHCI等。
   • 負責處理底層電氣信號和數據傳輸。

3. udev：

   • 用戶空間設備管理守護進程，響應內核生成的設備事件。
   • 通過規則和腳本來管理設備節點的創建、權限設置等。

熱插拔的具體流程

1. 設備插入：

   • 檢測電壓信號變化，主機控制器發出設備復位信號。
   • 設備開始回應，主機讀取設備描述符信息。
   • 操作系統加載合適的驅動程序。

2. 設備移除：

   • 檢測電壓信號變化，主機控制器發出設備斷開信號。
   • 操作系統卸載驅動程序，釋放資源。
   • 通知用戶空間進程（如udev），以便執行清理操作。

實際應用中的注意事項

• 數據完整性：在移除存儲設備時，需要確保沒有正在進行的數據傳輸，以避免數據損壞。
• 電源管理：熱插拔操作需要處理好電源的管理，避免電涌或設備損壞。

通過硬件和軟件的緊密配合，USB熱插拔機制實現了方便、可靠的設備連接和管理，從而極大地提高了用戶的操作體驗和系統的靈活性。