《Linux那些事儿之我是USB》我是U盘（11）从协议中来到协议中去

 

从协议中来，到协议中去（上）

 

在structusb_driver中，.probe和.disconnect的原型如下：

 

836     int(*probe) (struct usb_interface *intf,

 

837                      const struct usb_device_id *id);

 

838

 

839    void(*disconnect) (struct usb_interface *intf);

 

我们来看其中的参数，structusb_device_id这个不用说了，刚才已经介绍过，那么struct usb_interface从何而来？还是让我们先从struct usb_device说起。

 

我们知道每一个设备对应一个struct device结构体变量，但是设备不可能是万能的，生命是多样性的，就像我们可以用“人”来统称全人类，但是分得细一点，又有男人和女人的区别。那么设备也一样，由于有各种各样的设备，于是又出来了更多的词汇（数据结构），比如针对USB设备，开发人员们设计了一个叫做struct usb_device的结构体。它定义于include/linux/usb.h：

 

336 struct usb_device {

 

337    int            devnum;         /* Address on USBbus */

 

338   char           devpath [16]; /* Use in messages: /port/port/... */

 

339    enumusb_device_state   state;/*configured, not attached, etc */

 

340   enum usb_device_speed   speed;  /* high/full/low (or error) */

 

341

 

342    structusb_tt   *tt;        /* low/full speed dev, highspeed hub */

 

343    int            ttport;         /* device port onthat tt hub */

 

344

 

345    unsigned inttoggle[2];         /* one bit foreach endpoint

 

346                                         * ([0] = IN, [1] = OUT) */

 

347

 

348    structusb_device *parent;   /* ourhub, unless we're the root */

 

349    structusb_bus *bus;           /* Bus we're part of */

 

350    structusb_host_endpoint ep0;

 

351

 

352    structdevice dev;             /* Generic device interface */

 

353

 

354    structusb_device_descriptor descriptor;/* Descriptor */

 

355   struct usb_host_config *config; /*All of the configs */

 

356

 

357     structusb_host_config *actconfig;/* the active configuration */

 

358    structusb_host_endpoint *ep_in[16];

 

359    structusb_host_endpoint *ep_out[16];

 

360

 

361    char**rawdescriptors;       /* Raw descriptors for eachconfig */

 

362

 

363     unsignedshort bus_mA;       /* Current available from thebus */

 

364    u8portnum;                    /* Parent port number (origin 1) */

 

365    u8level;                      /* Number of USB hub ancestors */

 

366

 

367    unsigneddiscon_suspended:1;    /* Disconnected while suspended */

 

368     unsignedhave_langid:1;     /* whether string_langid is valid */

 

369     intstring_langid;             /* language ID for strings */

 

370

 

371    /* staticstrings from the device */

 

372     char*product;                 /* iProduct string, if present */

 

373    char*manufacturer;          /* iManufacturer string, if present */

 

374    char*serial;               /* iSerialNumber string, if present */

 

375

 

376     structlist_head filelist;

 

377 #ifdef CONFIG_USB_DEVICE_CLASS

 

378    structdevice *usb_classdev;

 

379 #endif

 

380 #ifdef CONFIG_USB_DEVICEFS

 

381    structdentry *usbfs_dentry;/*usbfs dentry entry for the device*/

 

382 #endif

 

383    /*

 

384     * Child devices - these can be eithernew devices

 

385      * (if this is a hub device), ordifferent instances

 

386     * of this same device.

 

387     *

 

388      * Each instance needs its own set ofdata structures.

 

389      */

 

390

 

391    intmaxchild;                  /* Number of ports if hub */

 

392    structusb_device *children[USB_MAXCHILDREN];

 

393

 

394    intpm_usage_cnt;              /* usage counter for autosuspend */

 

395    u32quirks;                    /* quirks of the whole device */

 

396

 

397 #ifdef CONFIG_PM

 

398    structdelayed_work autosuspend; /* for delayed autosuspends */

 

399   struct mutex pm_mutex;          /* protectsPM operations */

 

400

 

401    unsignedlong last_busy;        /* time of last use */

 

402    intautosuspend_delay;          /* injiffies */

 

403

 

404    unsignedauto_pm:1;            /*autosuspend/resume in progress */

 

405    unsigneddo_remote_wakeup:1;/* remote wakeup should be enabled */

 

406    unsignedautosuspend_disabled:1; /* autosuspend and autoresume */

 

407    unsignedautoresume_disabled:1;  /*  disabled by the user */

 

408 #endif

 

409 };

 

410 #define to_usb_device(d) container_of(d,struct usb_device, dev)

 

看起来很复杂的一个数据结构，不过我们目前不需要去理解她的每一个成员，不过我们可以看到，其中有一个成员struct device dev，这就是前面说的那个属于每个设备的struct device结构体变量。

 

实际上，U盘驱动里边并不会直接去处理这个结构体，因为对于一个U盘来说，它就是对应这么一个struct usb_device的变量，这个变量由USB Core负责申请和赋值。但是我们需要记住这个结构体变量，因为日后我们调用USBCore提供的函数时，会把这个变量作为参数传递上去。因为很简单，要和USB Core交流，总得让人家知道我们是谁吧。比如后来要调用的一个函数，usb_buffer_alloc，它就需要这个参数。

 

而对U盘设备驱动来说，比这个struct usb_device更重要的数据结构是，struct usb_interface。走到这一步，我们不得不去了解一些USB设备的规范了，或者专业一点说，USB协议。因为我们至少要知道什么是USB接口(Interface)。

 

从协议中来，到协议中去（中）

 

任何事物都有其要遵守的规矩。USB设备要遵循的就是USB协议。 不管是软件还是硬件，在设计的开始，总是要参考USB协议。怎么设计硬件？如何编写软件？不看USB协议，谁也不可能凭空想象出来。

 

USB协议规定了，每个USB设备都得有一些基本的元素，称为描述符。有四类描述符是任何一种USB设备都得有的，它们是，设备描述符（Device Descriptor），配置描述符（ConfigurationDescriptor），接口描述符（Interface Descriptor），端点描述符（Endpoint Descriptor）。描述符里的东西是一个设备出厂时就被厂家给固化在设备中了。这种东西不管怎样也改变不了，比如我有一个Intel的U盘，里面的固有的信息肯定是在Intel出厂时就被烙在里边了，厂家早已把它的一切，烙上Intel印。所以当我插入U盘，用cat /proc/scsi/scsi命令看一下的话，“Vendor”一项显示的肯定是Intel。

 

关于这几种描述符，USB Core在总线扫描就会去读取，获得里边的信息，其中，设备描述符描述的是整个设备。注意了，这个设备和咱们一直讲的设备驱动那里的设备是不一样的。因为一个USB设备实际上指的是一种宏观上的概念，它可以是一种多功能的设备，改革开放之后，多功能的东西越来越多了，比如外企常见的多功能一体机，就是集打印机、复印机、扫描仪、传真机于一体的设备。当然，这不属于USB设备，但是USB设备当然也有这种情况，比如电台DJ可能会用到的，一个键盘，上边带一个扬声器，它们用两个USB接口接到USB Hub上去，而设备描述符描述的就是这整个设备的特点。

 

那么配置描述符呢？老实说，对我们了解U盘驱动真是没有什么意义，但是作为一个有责任的人，此刻，我必须为它多说几句，一个设备可以有一种或者几种配置。没见过具体的USB设备？那么好，手机见过吧，每个手机都会有多种配置，或者说“设定”，比如，我的这款，Nokia 6300。手机语言可以设定为English、繁体中文或简体中文。一旦选择了其中一种，那么手机里面所显示的所有的信息都是该种语言/字体。还有最简单的例子，操作模式也有好几种，标准、无声、会议等。基本上如果我设为“会议”，那么就是只振动不发声；要是设为无声，那么就什么动静也不会有，只能凭感觉了。那么USB设备的配置也是如此，不同的USB设备当然有不同的配置了，或者说需要配置哪些东西也会不一样。好了，关于配置，就说这么多。

 

对于USB设备驱动程序编写者来说，更为关键的是下面的接口和端点。先说接口。第一句，一个接口对应一个USB设备驱动程序。没错，还举前边那个例子。一个USB设备，两种功能，一个键盘，上面带一个扬声器，两个接口，那肯定得要两个驱动程序，一个是键盘驱动程序，一个是音频流驱动程序。“道上”的兄弟喜欢把这样两个整合在一起的东西叫做一个设备，我门用接口来区分这两者。于是有了我们前面提到的那个数据结构，struct usb_interface，它定义于include/linux/usb.h：

 

140 struct usb_interface {

 

141   /* array of alternate settings forthis interface,

 

142    * stored in no particular order */

 

143   struct usb_host_interface *altsetting;

 

144

 

145   struct usb_host_interface*cur_altsetting;     /* the currently

 

146                                         * active alternate setting */

 

147    unsignednum_altsetting;        /* number of alternatesettings */

 

148

 

149   int minor;                     /* minor number this interface is

 

150                                         * bound to */

 

151  enumusb_interface_condition condition;     /* state of binding */

 

152    unsignedis_active:1;         /* the interfaceis not suspended */

 

153    unsignedneeds_remote_wakeup:1; /*driver requires remote wakeup*/

 

154

 

155    structdevice dev;            /* interface specific device info */

 

156    struct device *usb_dev;/* pointer to the usbclass's device, if any*/

 

157   int pm_usage_cnt;              /* usage counter for autosuspend */

 

158 };

 

159 #defineto_usb_interface(d) container_of(d, struct usb_interface, dev)

 

160 #define interface_to_usbdev(intf) \

 

161        container_of(intf->dev.parent, struct usb_device, dev)

 

这个结构体是一个贯穿整个U盘驱动程序的，所以虽然我们不用去深入了解，但是需要记住，整个U盘驱动程序在后面任何一处提到的struct usb_interface都是同一个变量，这个变量是在USB Core总线扫描时就申请好了的。我们只需要直接用就是了，比如前面说过的storage_probe(struct usb_interface *intf,const struct usb_device_id*id)，storage_disconnect(structusb_interface *intf)这两个函数中的参数intf。

 

而这里130行的宏interface_to_usbdev，也会用得着的，顾名思义，就是从一个structusb_interface转换成一个structusb_device，我们说过了，有些函数需要的参数就是struct usb_device，而不是usb_interface，所以这种转换是经常会用到的，而这个宏，USB Core的设计者们也为我们准备好了，除了感激，我们还能说什么呢？

 

从协议中来，到协议中去（下）

 

如果你是急性子，那这时候你一定很想开始看storage_probe函数了，因为整个U盘的工作就是从这里开始的。

 

前面我们已经了解了设备、配置和接口，还剩最后一个就是端点。USB通信的最基本的形式就是通过端点，一个接口有一个或多个端点，而作为像U盘这样的存储设备，它至少有一个控制端点，两个批量端点。这些端点都是干什么用的？说来话长，真是一言难尽啊。

 

USB协议中规定了，USB设备有四种通信方式，分别是控制传输、中断传输、批量传输、等时传输。其中，等时传输显然是用于音频和视频一类的设备，这类设备期望能够有一个比较稳定的数据流，比如你在网上QQ视频聊天，肯定希望每分钟传输的图像/声音速率是比较稳定的。usb-storage里边肯定不会用到等时传输。因为我们只管复制一个文件，管它第一秒和第二秒的传输有什么区别，只要几十秒内传完了就行了。

 

相比之下，等时传输是四种传输中最麻烦的，所以，U盘用不着。不过我要说，中断传输也用不着，对于U盘来说，的确用不着，虽然说USBMass Storage的协议中边有一个叫做CBI的传输协议，CBI就是Control/Bulk/Interrupt，即控制/批量/中断，这三种传输都会用到，但这种传输协议并不适用于U盘，U盘使用的是叫做Bulk-Only的传输协议。使用这种协议的设备只有两种传输方式，一种是批量传输，另一种是控制传输，控制传输是任何一种USB设备都必须支持的，它专门用于传输一些控制信息。比如我想查询一下关于这个接口的一些信息，那么就用控制传输。而批量传输，它就是U盘的主要工作了，读写数据，这种情况就得用批量传输。具体的传输我们后面再讲。

 

好了，知道了传输方式，就可以来认识端点了。和端点齐名的有一个叫做管道，或者有文化的人管这个叫Pipe。端点就是通信的发送点或者接收点，要发送数据，那你只要把数据发送到正确的端点那里就可以了。之所以U盘有两个批量端点，是因为端点也是有方向的，一个叫做Bulk IN，一个叫做Bulk OUT。从USB主机到设备称为OUT，从设备到主机称为IN。而管道实际上只是为了让我们能够找到端点，就相当于我们日常说的邮编地址，比如一个国家，为了通信，我们必须给各个地方取名，给各条大大小小的路取名，比如要从某偏僻的小县城出发，要到北京，那你的这个端点就是北京，而你得知道你来北京的路线，那这个从你们县城到北京的路线就算一条管道。有人好奇地问了，管道应该有两个端点吧，一个端点是北京，那另一个端点呢？答案是，这条管道有些特殊，我们只需要知道一端的目的地是北京，而另一端是哪里无所谓，因为不管你在哪里你都得到北京。

 

严格来说，管道的另一端应该是USB主机，USB协议中边也是这么规定的，协议中管道代表着一种能力。怎样一种能力呢？在主机和设备上的端点之间移动数据，听上去挺玄的。因为事实上，USB里边所有的数据传输都是由主机发起的。一切都是以主机为核心，各种设备紧紧围绕在主机周围。所以USB Core里边很多函数就是为了让USB主机能够正确地完成数据传输或者说传输调度，就得告诉主机这个管道，换而言之，它得知道自己这次调度的数据是传送给谁，或者从谁那里传输过来。不过有人又要问了，比如说要从U盘里读一个文件，那告诉USB主机某个端点能有用吗？那个文件又不是存放在一个端点里边，它不是存放在U盘里面吗？这个就只能在后面的代码里去知道了。