USB总线-Linux内核USB设备驱动之UAC2驱动分析（十）

1.概述

UVC（USB Audio Class）定义了使用USB协议播放或采集音频数据的设备应当遵循的规范。目前，UAC协议有UAC1.0和UAC2.0。UAC2.0协议相比UAC1.0协议，提供了更多的功能，支持更高的带宽，拥有更低的延迟。Linux内核中包含了UAC1.0和UAC2.0驱动，分别在f_uac1.c和f_uac2.c文件中实现。下面将以UAC2驱动为例，具体分析USB设备驱动的初始化、描述符配置、数据传输过程等。

2.初始化

2.1.定义

下面是UAC2.0的Gadget Function驱动的定义，驱动名称为uac2。alloc_inst被设置为afunc_alloc_inst，alloc_func被设置为afunc_alloc，这两个函数在Gadget Function API层被回调。该宏将定义一个usb_function_driver数据结构，使用usb_function_register函数注册到function API层。

[drivers/usb/gadget/function/f_uac2.c]
// 定义UAC设备驱动
DECLARE_USB_FUNCTION_INIT(uac2, afunc_alloc_inst, afunc_alloc);

2.2.配置

uac2驱动的数据结构关系如下图所示。struct f_uac2表示uac2设备，由afunc_alloc分配，包含了具体音频设备和USB配置信息。如g_audio表示音频设备，包含了音频运行时参数、声卡、PCM设备等信息，uac_pcm_ops表示音频PCM设备流的操作方法，in_ep和out_ep表示USB设备输入和输出端点，in_ep_maxpsize和out_ep_maxpsize表示输入端点和输出端点数据包最大长度，params表示音频设备参数。比较重要的是func，描述了USB设备功能，uac2设备驱动需要填充该数据结构。struct f_uac2_opts表示uac2设备的选项，由afunc_alloc_inst动态分配，内部嵌入了struct usb_function_instance数据结构，表示一个USB Function实例，内部的fd指针指向DECLARE_USB_FUNCTION_INIT宏定义的uac2设备驱动结构体。

[drivers/usb/gadget/function/f_uac2.c]
struct f_uac2 {struct g_audio g_audio;  // uac2音频设备数据结构/* ac_intf - audio control interface，接口描述符编号为0* as_in_intf - audio streaming in interface，接口描述符编号为2* as_out_intf - audio streaming out interface，接口描述符编号为1*/u8 ac_intf, as_in_intf, as_out_intf;/* 上述三个接口描述符当前的alternate settings值，有两个值，0表示关闭，1表示使能，* 主机可使用USB_REQ_GET_INTERFACE命令获取接口描述符当前的alternate settings值 */u8 ac_alt, as_in_alt, as_out_alt; /* needed for get_alt() */
};
[drivers/usb/gadget/function/u_uac2.h]
struct f_uac2_opts {struct usb_function_instance    func_inst;int               p_chmask;  // 录音通道掩码int             p_srate;   // 录音采样率int              p_ssize;   // 录音一帧数据占多少字节int                c_chmask;  // 播放通道掩码int             c_srate;   // 播放采样率int              c_ssize;   // 播放一帧数据占多少字节int                req_number;  // usb_request的数量bool          bound;struct mutex  lock;int                refcnt;  // 引用计数
};

uac2驱动通过configfs的配置过程如下图所示，创建functions调用uac2驱动的afunc_alloc_inst函数，关联functions和配置时调用uac2驱动的afunc_alloc，使能gadget设备调用uac2驱动的afunc_bind函数，下面分析这三个函数的执行过程。

afunc_alloc_inst和afunc_alloc是实现Gadget Function驱动的基础。afunc_alloc_inst创建usb_function_instance实例，设置uac2.0协议相关内容。afunc_alloc创建usb_function，设置uac2.0驱动的回调函数。具体的执行过程参考USB总线-Linux内核USB3.0设备控制器复合设备之USB gadget configfs分析（七）文章3.2节。

afunc_bind用于设置描述符、端点、配置、注册声卡，主要的工作内容如下：

设置描述符的字符串索引值、初始化描述符中的配置参数。
设置接口描述符的编号，ac_intf=0，as_out_intf=1，as_in_intf=2。设置各个接口的alt值为0。
根据音频设备所需的带宽计算端点的最大包长。
根据端点描述符，匹配要使用的端点，同时再描述符中记录端点的地址。
处理描述符。
调用g_audio_setup函数创建音频设备。
1. 分配uac请求和USB请求缓冲区，请求默认分配2个，缓冲区长度为端点的最大包长
2. 创建声卡（包含声卡控制设备），一个声卡只有一个控制设备。
3. 创建PCM子流和PCM设备。子流包含两类，分别为capture和playback，每个类下面又包含多个子流，子流是PCM设备功能的实现。
4. 设置子流的操作函数为uac_pcm_ops，应用层要访问音频设备，最终会调用到uac_pcm_ops。
5. 分配DMA缓冲区，底层最终通过调用__get_free_pages分配。
6. 注册声卡。声卡中包含很多设备，如控制设备、PCM设备、混音设备等，内核将不同的设备统一抽象成snd_device，最终通过snd_register_device注册。控制设备操作函数集合为snd_ctl_f_ops，PCM设备操作函数集合为snd_pcm_f_ops。

afunc_bind函数注册的PCM子流的操作函数集合uac_pcm_ops、控制设备操作函数集合为snd_ctl_f_ops，PCM设备操作函数集合为snd_pcm_f_ops如下所示。snd_pcm_f_ops函数最终会调用到uac_pcm_ops，具体调用过程后面分析。

[drivers/usb/gadget/function/u_audio.c]
// pcm流的操作函数
static const struct snd_pcm_ops uac_pcm_ops = {.open = uac_pcm_open,.close = uac_pcm_null,.ioctl = snd_pcm_lib_ioctl,.hw_params = uac_pcm_hw_params,.hw_free = uac_pcm_hw_free,.trigger = uac_pcm_trigger,.pointer = uac_pcm_pointer,.prepare = uac_pcm_null,
};[sound/core/control.c]
static const struct file_operations snd_ctl_f_ops =
{    // SNDRV_DEVICE_TYPE_CONTROL设备操作函数.owner =    THIS_MODULE,.read =        snd_ctl_read,.open =       snd_ctl_open,.release =    snd_ctl_release,.llseek =  no_llseek,.poll =      snd_ctl_poll,.unlocked_ioctl = snd_ctl_ioctl,.compat_ioctl =  snd_ctl_ioctl_compat,.fasync = snd_ctl_fasync,
};[sound/core/pcm_native.c]
const struct file_operations snd_pcm_f_ops[2] = {{   // SNDRV_PCM_STREAM_PLAYBACK操作函数.owner =     THIS_MODULE,.write =       snd_pcm_write,.write_iter =    snd_pcm_writev,.open =         snd_pcm_playback_open,.release =       snd_pcm_release,.llseek =      no_llseek,.poll =          snd_pcm_playback_poll,.unlocked_ioctl =    snd_pcm_playback_ioctl,.compat_ioctl = snd_pcm_ioctl_compat,.mmap =           snd_pcm_mmap,.fasync =     snd_pcm_fasync,.get_unmapped_area =    snd_pcm_get_unmapped_area,},{   // SNDRV_PCM_STREAM_CAPTURE操作函数.owner =        THIS_MODULE,.read =            snd_pcm_read,.read_iter =  snd_pcm_readv,.open =          snd_pcm_capture_open,.release =        snd_pcm_release,.llseek =      no_llseek,.poll =          snd_pcm_capture_poll,.unlocked_ioctl = snd_pcm_capture_ioctl,.compat_ioctl = snd_pcm_ioctl_compat,.mmap =            snd_pcm_mmap,.fasync =     snd_pcm_fasync,.get_unmapped_area =    snd_pcm_get_unmapped_area,}
};

3.枚举

USB设备的枚举过程在第9章已经介绍过了，主要涉及USB设备端点0控制传输的3个过程。USB设备的枚举实质上是响应USB主机发送请求的过程。对于一些标准的USB请求，如USB_REQ_GET_STATUS、USB_REQ_CLEAR_FEATURE等，USB设备控制器驱动就可以处理，但有一些标准的USB请求，如USB_REQ_GET_DESCRIPTOR，需要USB gadget驱动参与处理，还有一些USB请求，需要function驱动参与处理。如下图所示，当主机发送USB_REQ_GET_CONFIGURATION或USB_REQ_SET_INTERFACE请求时，需要调用uac2驱动的afunc_set_alt函数处理，当主机发送USB_REQ_GET_INTERFACE请求时，需要调用afunc_get_alt函数处理，其他USB类请求命令，调用afunc_setup处理。

UAC2设备被枚举的过程如下（这里只说明uac2驱动参与处理的部分）：

设置配置
主机发送USB_REQ_GET_CONFIGURATION命令设置设备当前使用的配置。uac2驱动只有一个配置，因此只需要调用afunc_set_alt将配置下面所有接口的alt值设置为0。afunc_set_alt函数的执行流程如下图所示。若是音频控制接口，alt=0时，直接返回0，其他值直接报错；若是音频流输出接口，alt=0时，停止录音，alt=1时，开始录音；若是音频流输入接口，alt=0时，停止播放，alt=1时，开始播放。

uac2设备枚举的使用没有发送USB_REQ_GET_INTERFACE命令，获取当前接口的alt值时。但还是介绍下afunc_get_alt函数，该函数直接返回当前接口的alt值。

[drivers/usb/gadget/function/f_uac2.c]
static int afunc_get_alt(struct usb_function *fn, unsigned intf)
{struct f_uac2 *uac2 = func_to_uac2(fn);struct g_audio *agdev = func_to_g_audio(fn);if (intf == uac2->ac_intf)return uac2->ac_alt;else if (intf == uac2->as_out_intf)return uac2->as_out_alt;else if (intf == uac2->as_in_intf)return uac2->as_in_alt;else......return -EINVAL;
}

设置接口
主机发送USB_REQ_SET_INTERFACE命令设置设备接口。调用afunc_set_alt将as_in_intf和as_out_intf接口的alt值设置为0。
发送USB类请求命令
USB类请求命令需要调用afunc_setup处理。该函数的执行流程如下图所示。实际工作过程中，主机通过该函数获取录音或播放的采样频率，而录音或播放的通道数已经包含在描述符中，不需要额外获取。

下面是UAC2协议中的名词，记录一下。

Current setting attribute (CUR)
Range attribute (RANGE)
Interrupt Enable attribute (INTEN)
Control Selector （CS）
Channel Number (CN)
Mixer Control Number (MCN)

4.工作过程分析

USB主机发送USB_REQ_SET_INTERFACE命令时，uac2驱动将会调用afunc_set_alt函数，若intf=2，alt=1，则开始录音，若intf=1，alt=1，则开始播放。下图是USB音频设备工作时数据流的传输过程。录音（capture）时，USB主机控制器向USB设备控制器发送音频数据，USB设备控制器收到以后通过DMA将其写入到usb_request的缓冲区中，随后再拷贝到DMA缓冲区中，用户可使用arecord、tinycap等工具从DMA缓冲区中读取音频数据，DMA缓冲区是一个FIFO，uac2驱动往里面填充数据，用户从里面读取数据。播放（playback）时，用户通过aplay、tinyplay等工具将音频数据写道DMA缓冲区中，uac2驱动从DMA缓冲区中读取数据，然后构造成usb_request，送到USB设备控制器，USB设备控制器再将音频数据发送到USB主机控制器。可以看出录音和播放的音频数据流方向相反，用户和uac2驱动构造了一个生产者和消费者模型，录音时，uac2驱动是生产者，用户是消费者，播放时则相反。

DMA缓冲区和USB设备控制器的数据交换都由u_audio_iso_complete函数完成。录音时，将DMA缓冲区中的数据拷贝到usb_request缓冲区，播放时，将usb_request缓冲区中的数据拷贝到DMA缓冲区中，最后将usb_request填充到端点的队列中。如此循环往复。

[drivers/usb/gadget/function/u_audio.c]static void u_audio_iso_complete(struct usb_ep *ep, struct usb_request *req)
{......if (substream->stream == SNDRV_PCM_STREAM_PLAYBACK) {/** For each IN packet, take the quotient of the current data* rate and the endpoint's interval as the base packet size.* If there is a residue from this division, add it to the* residue accumulator.*/req->length = uac->p_pktsize;uac->p_residue += uac->p_pktsize_residue;/** Whenever there are more bytes in the accumulator than we* need to add one more sample frame, increase this packet's* size and decrease the accumulator.*/if (uac->p_residue / uac->p_interval >= uac->p_framesize) {req->length += uac->p_framesize;uac->p_residue -= uac->p_framesize * uac->p_interval;}req->actual = req->length;}......if (substream->stream == SNDRV_PCM_STREAM_PLAYBACK) {// 录音时，将DMA缓冲区中的数据拷贝到usb_request缓冲区中if (unlikely(pending < req->actual)) {  // 处理DMA缓冲区回绕memcpy(req->buf, runtime->dma_area + hw_ptr, pending);memcpy(req->buf + pending, runtime->dma_area,req->actual - pending);} else {memcpy(req->buf, runtime->dma_area + hw_ptr, req->actual);}} else {// 播放时，将usb_request缓冲区中的数据拷贝到DMA缓冲区中if (unlikely(pending < req->actual)) {  // 处理DMA缓冲区回绕memcpy(runtime->dma_area + hw_ptr, req->buf, pending);memcpy(runtime->dma_area, req->buf + pending, req->actual - pending);} else {memcpy(runtime->dma_area + hw_ptr, req->buf, req->actual);}}......if ((hw_ptr % snd_pcm_lib_period_bytes(substream)) < req->actual)snd_pcm_period_elapsed(substream);  // 更新PCM设备信息，如DMA缓冲区状态exit:// 将usb_request重新填充到端点队列中，重复利用if (usb_ep_queue(ep, req, GFP_ATOMIC))dev_err(uac->card->dev, "%d Error!\n", __LINE__);
}

参考资料

Rockchip RK3399TRM V1.3 Part1
Rockchip RK3399TRM V1.3 Part2
Linux内核4.1版本源码
UNIVERSAL SERIAL BUS DEVICE CLASS DEFINITION FOR AUDIO DEVICES Release 3.0-Errata