Linux中USB协议栈框架详解
USB协议栈相关数据结构的关系图：
下面结合上图看一下系统初始化的流程：
1.USB子系统初始化：\drivers\usb\core\usb.c
subsys_initcall(usb_init);
static int __init usb_init(void)中调用了很多初始化函数，目前关注下面两个：
retval = bus_register(&usb_bus_type);// 注册usb 总线 retval = usb_hub_init(); // 注册hub driver
1> bus_register()负责注册USB总线，当我们注册一个总线的时候，他会初始化两个链表，一个用来链接总线上所有的device，一个用来链接总线上所有的driver。当我们调用usb_register()来注册一个usb driver时，driver就会被连接到driver链表上。
// // 初始化总线上的两个链表: one for device； one for driver // klist_init(&bus->klist_devices, klist_devices_get, klist_devices_put); klist_init(&bus->klist_drivers, NULL, NULL);
2> usb_hub_init()负责初始化hub，他会注册一个hub的驱动，并创建一个内核线程用来查询hub的状态（用来检查设备的插入）。
int usb_hub_init(void)
{
if (usb_register(&hub_driver) < 0) { // 注册hub驱动
printk(KERN_ERR "%s: can't register hub driver\n",
usbcore_name);
return -1;
}
khubd_task = kthread_run(hub_thread, NULL, "khubd"); // 创建内核线程 hub_thread
if (!IS_ERR(khubd_task))
return 0; // 成功，返回0
/* Fall through if kernel_thread failed */
usb_deregister(&hub_driver);
printk(KERN_ERR "%s: can't start khubd\n", usbcore_name);
return -1;
}
3> 当内核线程hub_thread()检测到新设备接入时，他会调用usb_new_device()来把新设备注册到总线的device链表上。
2.驱动与设备是如何绑定的：
不管是调用driver_register()来注册驱动，还是调用device_add()来注册设备；他们都会调用到总线的match函数，在调用驱动的probe函数：
int driver_probe_device(struct device_driver * drv, struct device * dev)
{
int ret = 0;
if (!device_is_registered(dev))
return -ENODEV;
// 调用bus的match()
if (drv->bus->match && !drv->bus->match(dev, drv))
goto done;
pr_debug("%s: Matched Device %s with Driver %s\n",
drv->bus->name, dev->bus_id, drv->name);
// 调用 probe()
ret = really_probe(dev, drv);
done:
return ret;
}
3.后来看一下host controller是如何驱动的：
以EHCI为例，他的驱动入口函数为\drivers\usb\host\ehci-hcd.c::ehci_hcd_init()：
// ehci主控制器驱动的入口函数
//
static int __init ehci_hcd_init(void)
{
int retval = 0;
#ifdef PLATFORM_DRIVER
retval = platform_driver_register(&PLATFORM_DRIVER); // 注册平台驱动#endif
#ifdef PCI_DRIVER
// host controller 挂在PCI总线下
retval = pci_register_driver(&PCI_DRIVER); // 注册一个PCI driver
......
}
这里分不同的情况：主控制器有可能挂在PCI总线下面（那它就是一个PCI设备），也有可能直接挂在CPU下面（ARM系统）。
通过分析对应的probe()函数，我们发现，不管是那种情况，他们都会去执行下面的调用：调用usb_create_hcd()来创建usb_hcd结构体；调用usb_add_hcd()来把主控制器添加到usb总线上。
1> usb_create_hcd()主要值得注意的是hc_driver ，它是访问HC的接口（HCDI）（针对上面的不同情况hc_driver的具体实现也不一样，比如PCI平台上的static const struct hc_driver ehci_pci_hc_driver 和 Freescale平台上的static const struct hc_driver ehci_fsl_hc_driver 就不一样）：
struct usb_hcd *usb_create_hcd (const struct hc_driver *driver,
struct device *dev, char *bus_name)
{
struct usb_hcd *hcd;
// 分配资源
hcd = kzalloc(sizeof(*hcd) + driver->hcd_priv_size, GFP_KERNEL);
....
// 初始化 hc_driver,并获取其中的product_desc；
// 比如pci的会显示:EHCI Host Controller
// 比如fsl的会显示:Freescale On-Chip EHCI Host Controller
hcd->driver = driver;
hcd->product_desc = (driver->product_desc) ? driver->product_desc :
"USB Host Controller";
return hcd;
}
2> usb_add_hcd()调用register_root_hub()来把EHCI注册为USB总线的控制器：
int usb_add_hcd(struct usb_hcd *hcd,
unsigned int irqnum, unsigned long irqflags)
{
int retval;
struct usb_device *rhdev;
....
// 调用hc_driver->reset()来重启hc
//
if (hcd->driver->reset && (retval = hcd->driver->reset(hcd)) < 0) {
dev_err(hcd->self.controller, "can't setup\n");
goto err_hcd_driver_setup;
}//
// //启动HC、root hub
//
if ((retval = hcd->driver->start(hcd)) < 0) { // 注册root hub
if ((retval = register_root_hub(hcd)) != 0)
....
}
register_root_hub()调用usb_new_device()，通过hcd->self.root_hub（图中的usb_hcd.usb_bus.usb_device）注册主控制器设备：
static int register_root_hub(struct usb_hcd *hcd)
{
struct device *parent_dev = hcd->self.controller;
struct usb_device *usb_dev = hcd->self.root_hub; // 用来把usb_hcd注册到usb总线上
const int devnum = 1;
int retval;// 会调用device_add，把device添加到usb总线上
retval = usb_new_device (usb_dev);
....
return retval;
}
通过上面的图中的数据结构的关系可以看出来各个设备之间的关系，以及底层是通过bus_type、device、device_driver的模型来管理的。理解bus_type、device、device_driver的模型是理解Linux中整个USB子系统架构的关键。理解ehci_hcd和hc_driver是理解HCD的关键。上层驱动（USBD、USB device driver）终都需要调用HCD来真正操作硬件（所以不同的硬件实现，HCD也不一样）。
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