USB设备驱动程序分析

最近一直在搞zynq的PL部分，为了保持对驱动程序的敏感度，看着源码分析一下rt8152的驱动程序。之前学单片机一直想着给单片机装一个USB网卡，但是一直没有思路。今天突然想到之前的想法，就带着这个想法加上对内核驱动的怀念，写一下，写点东西有时候能让人的心平静点。

USB总线和USB设备

usb总线是一种常见的高速总线，其实也不算高，usb2.0规定没记错应该是480Mbit/s。物理层上，usb high使用的是差分电压型串行数据线。usb full采用的是差分电流型串行串行数据线。差分抗干扰源于模拟电路的一个差动放大器，放大差模信号，抑制共模信号。再来说一下为什么高速数据总线喜欢用电流来传输信号。我们知道当导线距离增加时，其电阻会增加，那么从发送端到接收端的电压就会发生变化。使用电流传输，在发送端放置一个电流源，无论电阻怎么变换，流过电阻的电流总是恒定的。只要在接收端的端接电阻保持稳点就可以了。
简单介绍完物理层以后，在说一下USB通信的过程。很重要的一点是每次USB通信的发起者都是主机。这点很重要，至于USB的中断传输模式、块传输。。。网上好多，这里只写一些实用的、简单的。
在linux设备驱动中，把usb控制器的驱动程序可以看成是usb总线驱动程序，在设备树中定义了usb控制器的设备节点，控制器通过和设备树匹配，获取到usb控制器的基地址、中断号等资源。这部分程序一般不需要驱动工程师去修改，一般芯片厂商会写好。一般情况下，需要关心的是USB设备驱动程序，也就是挂在USB总线上的设备。通俗的讲就是u盘，usb声卡，usb暖手宝（这算吗☺）。

USB设备匹配方式

usb设备的匹配不需要在设备树中进行定义，而是通过vid和pid。这是usb控制器在在完成热插拔以后做的一项检测工作，会从usb的端点0中读取usb的vid和pid，然后在和已经装在的usb驱动程序进行匹配。

static struct usb_device_id rtl8152_table[] = {{REALTEK_USB_DEVICE(VENDOR_ID_REALTEK, 0x8152)},{REALTEK_USB_DEVICE(VENDOR_ID_REALTEK, 0x8153)},{REALTEK_USB_DEVICE(VENDOR_ID_SAMSUNG, 0xa101)},{REALTEK_USB_DEVICE(VENDOR_ID_LENOVO,  0x7205)},{REALTEK_USB_DEVICE(VENDOR_ID_LENOVO,  0x304f)},{REALTEK_USB_DEVICE(VENDOR_ID_NVIDIA,  0x09ff)},{}
};

这是usb网卡的设备ID匹配表。当usb设备接到usb总线上，如果正确匹配，probe函数就会被执行。

思考

usb设备驱动的PID和VID能不能动态配置？
usb设备驱动程序中的VID和PID万一重复怎么办？

网络设备驱动程序分析

网卡设备驱动分析

之前写过一篇 linux网卡设备驱动（任意传输介质传输（与FPGA交互））大致说了下网卡驱动程序的结构以及怎么实现一个网络驱动程序。
这里在赘述一下，网卡驱动程序在probe函数中：

struct net_device *netdev;定义网络设备结构体；
netdev = alloc_etherdev(sizeof(struct r8152));分配空间
填充该结构体；
ret = register_netdev(netdev);注册该设备；
实现传输函数以及中断接收网络数据。（也可以是轮询，取决于并发量，目前有一种自动检测的驱动程序，第一次是中断形式，之后是轮询）；

USB+网卡驱动

标题其实已经说明了，USB网卡驱动程序就是USB驱动程序加上网卡驱动程序。说说题外话吧，如何用带usb控制器的单片机来和usb网卡进行数据交互呢？之前做过STM32上的USB自定义设备程序，是从机的（上位机用的是libusb+qt）。所以对单片机的usb程序有一些记忆，基本都是对端点的操作。接下来去分析linux中的usb网卡驱动程序，以此来构想下单片机如何驱动一个usb网卡。

linux 源码中rt8152驱动程序分析

源码在drivers\net\usb\r8152.c下
先看下入口函数：

static int rtl8152_probe(struct usb_interface *intf,const struct usb_device_id *id)
{struct usb_device *udev = interface_to_usbdev(intf);struct r8152 *tp;struct net_device *netdev;int ret;usb_driver_set_configuration(udev, 1);usb_reset_device(udev);netdev = alloc_etherdev(sizeof(struct r8152));tp->mii.dev = netdev;tp->mii.mdio_read = read_mii_word;tp->mii.mdio_write = write_mii_word;tp->mii.phy_id_mask = 0x3f;tp->mii.reg_num_mask = 0x1f;tp->mii.phy_id = R8152_PHY_ID;ret = register_netdev(netdev);
}

把结构性的代码留下了，可以看出在probe函数中，完成了usb操作接口的获取、网络设备的注册、pyh相关设置。

static int rtl_ops_init(struct r8152 *tp)
{struct rtl_ops *ops = &tp->rtl_ops;int ret = 0;switch (tp->version) {case RTL_VER_01:case RTL_VER_02:ops->init      = r8152b_init;ops->enable       = rtl8152_enable;ops->disable       = rtl8152_disable;ops->up           = rtl8152_up;ops->down      = rtl8152_down;ops->unload      = rtl8152_unload;ops->eee_get       = r8152_get_eee;ops->eee_set        = r8152_set_eee;ops->in_nway        = rtl8152_in_nway;ops->hw_phy_cfg       = r8152b_hw_phy_cfg;ops->autosuspend_en = rtl_runtime_suspend_enable;break;case RTL_VER_03:case RTL_VER_04:case RTL_VER_05:case RTL_VER_06:ops->init        = r8153_init;ops->enable        = rtl8153_enable;ops->disable       = rtl8153_disable;ops->up           = rtl8153_up;ops->down      = rtl8153_down;ops->unload      = rtl8153_unload;ops->eee_get       = r8153_get_eee;ops->eee_set        = r8153_set_eee;ops->in_nway        = rtl8153_in_nway;ops->hw_phy_cfg       = r8153_hw_phy_cfg;ops->autosuspend_en  = rtl8153_runtime_enable;break;default:ret = -ENODEV;netif_err(tp, probe, tp->netdev, "Unknown Device\n");break;}return ret;
}

这段代码完成了所有网卡的操作函数的注册。

static const struct net_device_ops rtl8152_netdev_ops = {.ndo_open      = rtl8152_open,.ndo_stop       = rtl8152_close,.ndo_do_ioctl      = rtl8152_ioctl,.ndo_start_xmit        = rtl8152_start_xmit,.ndo_tx_timeout       = rtl8152_tx_timeout,.ndo_set_features = rtl8152_set_features,.ndo_set_rx_mode    = rtl8152_set_rx_mode,.ndo_set_mac_address = rtl8152_set_mac_address,.ndo_change_mtu      = rtl8152_change_mtu,.ndo_validate_addr    = eth_validate_addr,.ndo_features_check    = rtl8152_features_check,
};

rtl8152_start_xmit（）函数很重要，完成了网络数据包的发送。实现如下：


static netdev_tx_t rtl8152_start_xmit(struct sk_buff *skb,struct net_device *netdev)
{struct r8152 *tp = netdev_priv(netdev);skb_tx_timestamp(skb);skb_queue_tail(&tp->tx_queue, skb);if (!list_empty(&tp->tx_free)) {if (test_bit(SELECTIVE_SUSPEND, &tp->flags)) {set_bit(SCHEDULE_NAPI, &tp->flags);schedule_delayed_work(&tp->schedule, 0);} else {usb_mark_last_busy(tp->udev);napi_schedule(&tp->napi);}} else if (skb_queue_len(&tp->tx_queue) > tp->tx_qlen) {netif_stop_queue(netdev);}return NETDEV_TX_OK;
}

再到usb中断服务函数中找到接收大代码：

static void tx_bottom(struct r8152 *tp)
{int res;do {struct tx_agg *agg;if (skb_queue_empty(&tp->tx_queue))break;agg = r8152_get_tx_agg(tp);if (!agg)break;res = r8152_tx_agg_fill(tp, agg);if (res) {struct net_device *netdev = tp->netdev;if (res == -ENODEV) {set_bit(RTL8152_UNPLUG, &tp->flags);netif_device_detach(netdev);} else {struct net_device_stats *stats = &netdev->stats;unsigned long flags;netif_warn(tp, tx_err, netdev,"failed tx_urb %d\n", res);stats->tx_dropped += agg->skb_num;spin_lock_irqsave(&tp->tx_lock, flags);list_add_tail(&agg->list, &tp->tx_free);spin_unlock_irqrestore(&tp->tx_lock, flags);}}} while (res == 0);
}

这里使用了中断的下半部，说一下这个知识，在linux内核中，中断处理一般分为以下几种方式：

直接处理；
软中断
tasklet；
中断线程化；
工作队列；

直接处理就是在中断服务函数中直接处理相应的逻辑，这种情况对应于十分简短的中断处理逻辑；
软中断和tasklet都是发生在中断上下文的，因此在处理函数中不能有休眠。工作队列和中断线程化可以用休眠，但是处理的实时性会差一些。
大体结构已经出来了，还有一个urb的知识没有说；在linux驱动中，通过驱动程序通过urb和设备进行通信。urb相当于网络设备驱动程序中的skb。是传输数据的载体。

static void write_bulk_callback(struct urb *urb)
{struct net_device_stats *stats;struct net_device *netdev;struct tx_agg *agg;struct r8152 *tp;int status = urb->status;agg = urb->context;if (!agg)return;tp = agg->context;if (!tp)return;netdev = tp->netdev;stats = &netdev->stats;if (status) {if (net_ratelimit())netdev_warn(netdev, "Tx status %d\n", status);stats->tx_errors += agg->skb_num;} else {stats->tx_packets += agg->skb_num;stats->tx_bytes += agg->skb_len;}spin_lock(&tp->tx_lock);list_add_tail(&agg->list, &tp->tx_free);spin_unlock(&tp->tx_lock);usb_autopm_put_interface_async(tp->intf);if (!netif_carrier_ok(netdev))return;if (!test_bit(WORK_ENABLE, &tp->flags))return;if (test_bit(RTL8152_UNPLUG, &tp->flags))return;if (!skb_queue_empty(&tp->tx_queue))napi_schedule(&tp->napi);
}static void intr_callback(struct urb *urb)
{struct r8152 *tp;__le16 *d;int status = urb->status;int res;tp = urb->context;if (!tp)return;if (!test_bit(WORK_ENABLE, &tp->flags))return;if (test_bit(RTL8152_UNPLUG, &tp->flags))return;switch (status) {case 0:          /* success */break;case -ECONNRESET:    /* unlink */case -ESHUTDOWN:netif_device_detach(tp->netdev);case -ENOENT:case -EPROTO:netif_info(tp, intr, tp->netdev,"Stop submitting intr, status %d\n", status);return;case -EOVERFLOW:netif_info(tp, intr, tp->netdev, "intr status -EOVERFLOW\n");goto resubmit;/* -EPIPE:  should clear the halt */default:netif_info(tp, intr, tp->netdev, "intr status %d\n", status);goto resubmit;}d = urb->transfer_buffer;if (INTR_LINK & __le16_to_cpu(d[0])) {if (!netif_carrier_ok(tp->netdev)) {set_bit(RTL8152_LINK_CHG, &tp->flags);schedule_delayed_work(&tp->schedule, 0);}} else {if (netif_carrier_ok(tp->netdev)) {set_bit(RTL8152_LINK_CHG, &tp->flags);schedule_delayed_work(&tp->schedule, 0);}}resubmit:res = usb_submit_urb(urb, GFP_ATOMIC);if (res == -ENODEV) {set_bit(RTL8152_UNPLUG, &tp->flags);netif_device_detach(tp->netdev);} else if (res) {netif_err(tp, intr, tp->netdev,"can't resubmit intr, status %d\n", res);}
}

这是在usb网卡驱动中操作urb的实例，看起来很像i2c驱动中的i2c_msg;
usb驱动驱动具体操作下次会具体的说明。这次重点是usb网卡的结构分析；
回到最初的愿望，用单片机去控制usb网卡，实现单片机上网可行吗？
答案是可行的，首先要让单片机上有一个简单的操作系统，这样方便网络协议栈的移植，然后就是把单片机的usb host 调好，通过读取usb设备的端点来实现usb网卡和单片机的数据交互。之后有时间做一下这个，实现下最初的理想。人有时候在不具备条件时，总是幻想着自己的梦想，当具备条件时，最初的梦想早已忘得一干二净。

总结

在linux中，对usb抽象做的比较好，记得当时调单片机的usb调了一个周才实现了基本的数据交互，linux下只要你插上usb就会识别到总线驱动，前提是控制器正常工作，不然可比单片机难搞。
SDIO网卡有时间研究下，据说安卓好多用的是SDIO的网卡芯片。

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