Gadget驱动程序框架
Gadget驱动程序框架
文章目录
参考资料:
- Linux下USB gadget设备详解
- Linux usb gadget框架概述
- USB设备驱动程序-USB Gadget Driver(二)
- usb gadge驱动设计之我是zero
- Linux-USB驱动笔记(四)–USB整体框架
- USB gadget设备驱动解析
- 调试软件:USB view 、bushound 、及一些硬件USB信号分析仪
- 可以用wireshark+usbmon捕捉usb协议数据包。
一、 怎样理解Gadget框架
USB协议是主从结构:
我们编写USB设备驱动程序时,主要是:
- 读取设备的各类描述符,比如endpoint描述符,得到端点号
- 使用底层USB Host Controller驱动程序提供的API函数,从endpoint上读写数据
那么要基于Gadget驱动框架模拟一个USB设备时,endpoint的数据传输能力是底层的USB Device Controller驱动提供的,我们要做的就是:
- 提供各类设备描述符
- 使用底层USB Device Controller驱动程序提供的API函数,从endpoint得到数据、反馈数据
Gadget的含义是"小器件",在Linux的USB系统中,它表示"usb device"。Gadget驱动程序,就是用来模拟USB Device。对于真实的USB Device,它有两大要素:
- 怎么表示自己?
- 每个USB Device都有1个设备描述符
- 都1个或多个配置描述符
- 每个配置描述符里面有1个或多个接口描述符
- 每个接口描述符里面有0个多个端点描述符
- 怎么进行数据传输?
- 通过端点进行传输
- 有端点的操作函数
在学习过程中,记住这几个要点非常有帮助:
- 各类描述符的构造
- USB Host获得Gadget各类描述符的过程
- 数据传输的流程
二、从硬件软件角度理解Gadget框架
USB传输的核心是endpoint,使用endpoint可以收发数据。在endpoint之上,就可以模拟USB串口、USB触碰屏、USB摄像头。基于这个角度,Gadget框架可以分为两层:
- 底层endpoint操作
- 上层模拟各类USB设备
2.1 底层硬件操作_UDC驱动
对于底层endpoint的代码,需要从UDC驱动开始分析:
-
IMX6ULL的代码:
Linux-4.9.88\drivers\usb\chipidea\ci_hdrc_imx.c
ci_hdrc_imx_probe ci_hdrc_add_device pdev = platform_device_alloc("ci_hdrc", id); // Linux-4.9.88\drivers\usb\chipidea\core.c static struct platform_driver ci_hdrc_driver = { .probe = ci_hdrc_probe, .remove = ci_hdrc_remove, .driver = { .name = "ci_hdrc", .pm = &ci_pm_ops, }, }; ci_hdrc_probe ret = ci_hdrc_gadget_init(ci); udc_start
2.2 上层软件操作
模拟各类USB设备时,软件怎么分层?以访问设备、获取描述符为例:
- Host要分配地址、把地址发送给设备:不管要模拟什么设备,Gadget都必须接收地址,这部分由usb_gadget(硬件相关的驱动程序)实现
- Host要读取各类描述符,这些描述符是由上层的驱动程序提供的
- 怎么把上层的描述符通过底层的usb_gadget传回给Host?还需要一个中间层。Host获取描述符时,方法是固定、通用的,这些方法可以由内核统一提供,这就是:usb_gadget_driver。
所以,从获取描述符的角度看看,上层软件至少分为2层:
- usb_gadget_driver:实现一些通用的USB访问方法,比如Host访问描述符时,由usb_gadget_driver提供
- 在这上面提供各类描述符,实际上,描述符的提供还可以分为两层:
- 设备描述符、配置描述符:由程序员决定,由usb_composite_driver提供
- 接口描述符、endpoint描述符:由内核事先实现的、常用的function driver提供
软件层次可以进一步细化,如下图:
这涉及2个结构体:
-
usb_composite_dev:它里面汇集有各类描述符、有一个usb_funciton链表(实现数据传输)
struct usb_composite_dev { struct usb_gadget *gadget; struct usb_request *req; struct usb_request *os_desc_req; struct usb_configuration *config; /* OS String is a custom (yet popular) extension to the USB standard. */ u8 qw_sign[OS_STRING_QW_SIGN_LEN]; u8 b_vendor_code; struct usb_configuration *os_desc_config; unsigned int use_os_string:1; /* private: */ /* internals */ unsigned int suspended:1; struct usb_device_descriptor desc; struct list_head configs; struct list_head gstrings; struct usb_composite_driver *driver; u8 next_string_id; char *def_manufacturer; /* the gadget driver won't enable the data pullup * while the deactivation count is nonzero. */ unsigned deactivations; /* the composite driver won't complete the control transfer's * data/status stages till delayed_status is zero. */ int delayed_status; /* protects deactivations and delayed_status counts*/ spinlock_t lock; /* public: */ unsigned int setup_pending:1; unsigned int os_desc_pending:1; };
-
usb_udc:UDC的本意是"usb device controller",usb_udc结构体里面有usb_gadget(表示UDC本身)、usb_gadget_driver()
struct usb_udc { struct usb_gadget_driver *driver; struct usb_gadget *gadget; struct device dev; struct list_head list; bool vbus; };
三、 从构造描述符的角度理解Gadget框架
假设你要模拟一个USB设备,
- 这个USB设备含有厂家信息:它记录在设备描述符里,所以设备描述符应该由你提供
- 这个芯片可能有多种配置,这也是由你决定,所以配置描述符应该由你提供
- 某个配置下多个接口,接口就是功能,Linux内核里事先提供了很多功能的驱动程序,所以:接口描述符是内核提供的
- 某个接口下需要什么端点,也是内核里各类功能的驱动程序提供的
以zero.c为例:
- 配置1:loopback,Host写数据给它,就可以读出原样的数据
- 配置2:sourcesink,Host写数据给它(它只是记录下数据),Host还可以读数据(读到的都是0)
从下到上涉及这些文件:
阅读源码时,入口函数是
usb_composite_probe(&zero_driver)
:
函数调用过程中主要的函数如下,重点关注"xxx_bind"函数,可以认为bind就是初始化的意思:
- usb_composite_probe
- composite_bind
- zero_bind
- sourcesink_bind/loopback_bind
深入解读描述符的构造过程,可以得到下面的图:
- 构造出一个usb_composite_dev结构体
- 它把各层串联起来,里面构造有设备描述符、配置描述符、接口描述符、端点描述符
四、 从获取描述符的角度理解Gadget框架
安装好gadget驱动程序后(比如modprobe g_zero), 它只是构造好了各类描述符。在设备的枚举过程会读取描述符,枚举过程要做的事情可以参考《05_USB描述符.md》的《4. 设备枚举过程示例》。
使用OTG线连接电脑和开发板时,电脑软件会执行如下操作:
- 使用控制传输,读取设备信息(设备描述符):第一次读取时,它只需要得到8字节数据,因为第8个数据表示端点0能传输的最大数据长度。
- Host分配地址给设备,然后把新地址发给设备
- 使用新地址,重新读取设备描述符,设备描述符长度是18
- 读取配置描述符:它传入的长度是255,想一次性把当前配置描述符、它下面的接口描述符、端点描述符全部读出来
- 读取字符描述符
上述过程里,设备方都是接收到Host发给endpoint 0的数据,然后做出回应。不同的Gadget设备,在返回描述符给主机时,这些操作都是一样的,只是回应的数据不同而已。源码分析的起点都是某个中断函数:
- IMX6ULL:ci_irq(drivers/usb/chipidea/core.c)
4.1 IMX6ULL的核心函数
IMX6ULL芯片中USB控制器型号是chipidea,在Linux-4.9.88\drivers\usb\chipidea\core.c
中注册了中断函数:
ci_hdrc_probe
ret = devm_request_irq(dev, ci->irq, ci_irq, IRQF_SHARED,
ci->platdata->name, ci);
发生中断后,对于endpoint 0的数据处理流程如下:
// Linux-4.9.88\drivers\usb\chipidea\core.c
ci_irq
/* Handle device/host interrupt */
if (ci->role != CI_ROLE_END)
ret = ci_role(ci)->irq(ci); // udc_irq
// Linux-4.9.88\drivers\usb\chipidea\udc.c
udc_irq
if (USBi_UI & intr)
// Linux-4.9.88\drivers\usb\chipidea\udc.c
isr_tr_complete_handler(ci);
/* Only handle setup packet below */
if (i == 0 &&
hw_test_and_clear(ci, OP_ENDPTSETUPSTAT, BIT(0)))
// Linux-4.9.88\drivers\usb\chipidea\udc.c
isr_setup_packet_handler(ci);
函数isr_setup_packet_handler
就是处理endpoint 0接收到的控制传输的关键。
4.2 如何处理控制传输
IMX6ULL的函数isr_setup_packet_handler
,是在Gadget设备收到"SETUP事务"后才被调用。接收完"SETUP事务"后,就可以从里面知道这个控制传输想做什么(req.bRequest是什么),然后就可以处理它了。
怎么处理呢?可以分为3层:
-
UDC驱动程序:类似"设置地址"的控制传输,在底层的UDC驱动程序里就可以处理,
-
这类请求有:
USB_REQ_SET_ADDRESS USB_REQ_SET_FEATURE // 有一些请求可能需要上报改gadget driver USB_REQ_CLEAR_FEATURE // 有一些请求可能需要上报改gadget driver USB_REQ_GET_STATUS // 有一些请求可能需要上报改gadget driver
-
驱动程序位置
IMX6ULL: Linux-4.9.88\drivers\usb\chipidea\udc.c, 函数isr_setup_packet_handler STM32MP157: Linux-5.4\drivers\usb\dwc2\gadget.c, 函数dwc2_hsotg_complete_setup
-
-
gadget driver:涉及描述符的操作
-
这类请求有:
USB_REQ_GET_DESCRIPTOR USB_REQ_SET_CONFIGURATION USB_REQ_GET_CONFIGURATION USB_REQ_SET_INTERFACE USB_REQ_GET_INTERFACE USB_REQ_GET_STATUS // 底层UDC驱动无法处理的话, gadget driver来处理 USB_REQ_CLEAR_FEATURE // 底层UDC驱动无法处理的话, gadget driver来处理 USB_REQ_SET_FEATURE // 底层UDC驱动无法处理的话, gadget driver来处理
-
驱动程序位置
文件:drivers\usb\gadget\composite.c 函数:composite_setup
-
-
usb_configuration或usb_function的处理:这是二选一的。大部分设备使用控制传输实现标准的USB请求,但是也可以用控制传输来进行实现相关的请求,对于这些非标准的请求,就需要上层驱动来处理。
五、 从数据传输的角度理解Gadget框架
5.1 使用流程
在USB协议中,永远是Host主动发起传输。作为一个Gadget驱动程序,它永远都是这样:
- 想接收数据:
- 先构造好usb_request:分配buffer、设置回调函数
- 把usb_request放入队列
- UDC和Host完成USB传输,在usb_request中填充数据,并触发中断调用usb_request的回调函数
- 想发送数据:
- 先构造好usb_request:分配buffer、在buffer里填充数据、设置回调函数
- 把usb_request放入队列
- UDC和Host完成USB传输,把usb_request的数据发给Host,并触发中断调用usb_request的回调函数
5.2 endpoint是核心
USB传输的对象是endpoint,使用流程如下:
- 功能驱动里,通过endpoint描述符表明需要怎样的endpoint,比如(注意:bEndpointAddress只是表明方向,里面还没有地址,drivers\usb\gadget\function\f_loopback.c):
- 功能驱动里,它的bind函数根据endpoint描述符向底层申请分配endpoint,比如:
- 功能驱动里,使能endpoint,比如:
- 功能驱动里,给endpoint分配buffer、设置usb_request、提交usb_request,比如:
5.3 回调函数
功能驱动里构造的usb_request,可以是接收Host发来的数据,也可以是向Host发送数据。当传输完成,usb_request的回调函数被调用。
在回调函数里,可以再次提交usb_request。
怎么调用到回调函数?源头是UDC的中断函数。
5.3.1 IMX6ULL调用关系如下:
// Linux-4.9.88\drivers\usb\chipidea\core.c
ci_irq
/* Handle device/host interrupt */
if (ci->role != CI_ROLE_END)
ret = ci_role(ci)->irq(ci); // udc_irq
udc_irq
if (USBi_UI & intr)
isr_tr_complete_handler(ci);
err = isr_tr_complete_low(hwep);
usb_gadget_giveback_request(&hweptemp->ep, &hwreq->req);
req->complete(ep, req);
5.4 f_loopback分析
loopback就是回环,Host发数据给Gadget,然后再读Gadget就可以得到原样的数据。
5.4.1 Gadget接收数据
Host选择某个配置时,默认会选择这个配置下那些接口的第0个设置(altsetting);
当Host发来USB_REQ_SET_INTERFACE请求时,可以选择指定的设置。
所为,我们从f_loopback.c的函数loopback_set_alt
开始分析。
调用关系为:
loopback_set_alt
enable_loopback
result = enable_endpoint(cdev, loop, loop->in_ep);
result = enable_endpoint(cdev, loop, loop->out_ep);
result = alloc_requests(cdev, loop);
如上图所示,先提交的是out_req,它在等待Host发来数据。
假设断点loop->out_ep的out_req获得了数据,它的回调函数loopback_complete
被调用,如下:
5.4.2 Gadget回环数据
5.5 f_sourcesink分析
前面的f_loopback也实现了两个方向的数据传输:Host到Gadget、Gadget到Host,但是它们之间是有依赖关系的,Host必须先发送数据再读数据。
f_sourcesink.c也实现了两个方向的数据传输:Host到Gadget、Gadget到Host,它们是独立的。
- Host读Gadget:驱动程序里构造好数据,Host可以读到,Gadget作为源(就是source)
- Host写Gadget:驱动程序里得到Host发来的数据,Gadget作为目的(就是sink)
5.5.1 Host写Gadget
Host选择某个配置时,默认会选择这个配置下那些接口的第0个设置(altsetting);
当Host发来USB_REQ_SET_INTERFACE请求时,可以选择指定的设置。
所为,我们从f_sourcesink.c的函数sourcesink_set_alt
开始分析。
sourcesink_set_alt
enable_source_sink(cdev, ss, alt);
作为"source",函数source_sink_start_ep
会构造数据、提交usb_request:
当Host读取到数据后,usb_request的回调函数被调用,它只是再次提交USB请求,给Host继续提供跟上次一样的数据:
5.5.2 Host读Gadget
仍然从f_sourcesink.c的函数sourcesink_set_alt
开始分析。
sourcesink_set_alt
enable_source_sink(cdev, ss, alt);
作为"sink",函数source_sink_start_ep
会故意把数据设置为0x55(这是为了调试,当读到数据时可以看到0x55被覆盖)、提交usb_request:
当Host发来数据,usb_request的回调函数被调用,它检查收到的数据,再次提交usb_request:
致谢
以上笔记源自
韦东山
老师的视频课程,感谢韦老师,韦老师是嵌入式培训界一股清流,为嵌入式linux开发点起的星星之火,也愿韦老师桃李满园。聚是一团火,散是满天星!
在这样一个速食的时代,坚持做自己,慢下来,潜心琢磨,心怀敬畏,领悟知识,才能向下扎到根,向上捅破天,背着世界往前行!
仅此向嵌入行业里的每一个认真做技术的从业者致敬!
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