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USB Core

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 Layer 和 USB 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 Device 由 Hub 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 Interface 的 Device ，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。

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;
}

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 */
}