linux-usb子系统的核心描述

一、导读

本文将描述linux-usb子系统的核心，主要分析其核心的初始化流程，文中源码基于内核版本：4.1.15。

linux usb子系统框架的核心位于/drivers/usb/core/目录中，文件结构如下图所示：

目录中各文件功能大致如下：

二、USB核心的初始化

在linux内核的启动阶段USB模块最早输出日志信息如下：

（1）[0.475284]usbcore:registerednewinterfacedriverusbfs
（2）[0.475348]usbcore:registerednewinterfacedriverhub
（3）[0.475400]usbcore:registerednewdevicedriverusb

从上述输出日志可知：第（1）行表示成功注册USB文件系统，且在系统正常启动后，会生成对应的/sys/bus/usb/目录。第（2）行表示成功注册USB HUB驱动。第（3）行表明成功注册USB通用设备驱动，即usb_generic_driver。通常USB设备都是以设备的身份先与usb_generic_driver匹配，匹配成功后，会分裂出接口，当对接口调用 device_add()后，会触发USB接口和USB驱动的匹配。

USB核心由/drivers/usb/core/usb.c文件描述。该文件以linux内核模块的方式设计，使用subsys_initcall(usb_init);将usb核心模块导出。其中，usb核心的初始化由usb_init()完成，实现如下：

staticint__initusb_init(void)
{
intretval;
if(usb_disabled()){
pr_info("%s:USBsupportdisabled
",usbcore_name);
return0;
}
usb_init_pool_max();//初始化pool_max参数

usb_debugfs_init();//初始化usb的调试文件系统debugfs

usb_acpi_register();//初始化acpi
retval=bus_register(&usb_bus_type);//向linux内核注册usb总线类型
if(retval)
gotobus_register_failed;
//注册usb通知器
retval=bus_register_notifier(&usb_bus_type,&usb_bus_nb);
if(retval)
gotobus_notifier_failed;
//usb设备号初始化
retval=usb_major_init();
if(retval)
gotomajor_init_failed;
//注册usbfs驱动程序
retval=usb_register(&usbfs_driver);
if(retval)
gotodriver_register_failed;
//初始化usb的devio
retval=usb_devio_init();
if(retval)
gotousb_devio_init_failed;
//初始化usb的hub
retval=usb_hub_init();
if(retval)
gotohub_init_failed;
//注册通用usb设备驱动
retval=usb_register_device_driver(&usb_generic_driver,THIS_MODULE);
if(!retval)
gotoout;

usb_hub_cleanup();
hub_init_failed:
usb_devio_cleanup();
usb_devio_init_failed:
usb_deregister(&usbfs_driver);
driver_register_failed:
usb_major_cleanup();
major_init_failed:
bus_unregister_notifier(&usb_bus_type,&usb_bus_nb);
bus_notifier_failed:
bus_unregister(&usb_bus_type);
bus_register_failed:
usb_acpi_unregister();
usb_debugfs_cleanup();
out:
returnretval;
}

从上述代码可见，usb_init()中执行了如下操作：

（1）判断linux内核是否开启了对USB的支持，如果不支持则直接返回。

（2）初始化调试文件系统关于usb的目录和文件：

staticintusb_debugfs_init(void)
{
//创建usb目录
usb_debug_root=debugfs_create_dir("usb",NULL);
if(!usb_debug_root)
return-ENOENT;
//在usb目录下创建devices文件
usb_debug_devices=debugfs_create_file("devices",0444,
usb_debug_root,NULL,
&usbfs_devices_fops);
if(!usb_debug_devices)
{
debugfs_remove(usb_debug_root);
usb_debug_root=NULL;
return-ENOENT;
}

return0;
}

（3）初始化usb与acpi相关的参数：

（4）向linux内核注册usb总线类型，usb总线类型定义如下：

structbus_typeusb_bus_type={
.name="usb",
.match=usb_device_match,
.uevent=usb_uevent,
};

（5）注册usb总线通知器

（6）初始化usb主设备号：

intusb_major_init(void)
{
interror;
//注册usb字符设备
error=register_chrdev(USB_MAJOR,"usb",&usb_fops);
if(error)
printk(KERN_ERR"Unabletogetmajor%dforusbdevices
",
USB_MAJOR);

returnerror;
}

（7）注册usbfs驱动程序，usbfs以usb驱动程序的形式进行定义：

structusb_driverusbfs_driver={
.name="usbfs",
.probe=driver_probe,
.disconnect=driver_disconnect,
.suspend=driver_suspend,
.resume=driver_resume,
};

（8）初始化usb的devio，实质上是初始化USB字符设备，devio用于USB设备与用户空间进行通信：

int__initusb_devio_init(void)
{
intretval;

retval=register_chrdev_region(USB_DEVICE_DEV,USB_DEVICE_MAX,
"usb_device");
if(retval){
printk(KERN_ERR"Unabletoregisterminorsforusb_device
");
gotoout;
}
cdev_init(&usb_device_cdev,&usbdev_file_operations);
retval=cdev_add(&usb_device_cdev,USB_DEVICE_DEV,USB_DEVICE_MAX);
if(retval){
printk(KERN_ERR"Unabletogetusb_devicemajor%d
",
USB_DEVICE_MAJOR);
gotoerror_cdev;
}
//注册usbdev_nb通知器
usb_register_notify(&usbdev_nb);
out:
returnretval;

error_cdev:
unregister_chrdev_region(USB_DEVICE_DEV,USB_DEVICE_MAX);
gotoout;
}

（9）初始化usb的hub，hub也是以USB驱动方式进行设计(/drivers/usb/core/hub.c)：

staticstructusb_driverhub_driver={
.name="hub",
.probe=hub_probe,
.disconnect=hub_disconnect,
.suspend=hub_suspend,
.resume=hub_resume,
.reset_resume=hub_reset_resume,
.pre_reset=hub_pre_reset,
.post_reset=hub_post_reset,
.unlocked_ioctl=hub_ioctl,
.id_table=hub_id_table,
.supports_autosuspend=1,
};

intusb_hub_init(void)
{
if(usb_register(&hub_driver)< 0) {
  printk(KERN_ERR "%s: can't register hub driver
",
   usbcore_name);
  return -1;
 }

 /*
  * The workqueue needs to be freezable to avoid interfering with
  * USB-PERSIST port handover. Otherwise it might see that a full-speed
  * device was gone before the EHCI controller had handed its port
  * over to the companion full-speed controller.
  */
 hub_wq = alloc_workqueue("usb_hub_wq", WQ_FREEZABLE, 0);
 if (hub_wq)
  return 0;

 /* Fall through if kernel_thread failed */
 usb_deregister(&hub_driver);
 pr_err("%s: can't allocate workqueue for usb hub
", usbcore_name);

 return -1;
}

（10）注册通用usb设备驱动usb_generic_driver，定义如下（/drivers/usb/core/generic.c）：

structusb_device_driverusb_generic_driver={
.name="usb",
.probe=generic_probe,
.disconnect=generic_disconnect,
#ifdefCONFIG_PM
.suspend=generic_suspend,
.resume=generic_resume,
#endif
.supports_autosuspend=1,
};

从前文描述可知：在linux启动过程中或者是在插入USB设备后，通常USB设备都是以设备的身份先与usb_generic_driver匹配，这时候由.probe指向的generic_peobe()会执行，当匹配成功后，会分裂出接口，当对接口调用device_add()后，会触发USB接口和USB接口驱动的匹配。

generic_probe()函数实现如下：

staticintgeneric_probe(structusb_device*udev)
{
interr,c;

/*Chooseandsettheconfiguration.Thisregisterstheinterfaces
*withthedrivercoreandletsinterfacedriversbindtothem.
*/
if(udev->authorized==0)
dev_err(&udev->dev,"Deviceisnotauthorizedforusage
");
else{
//选择配置
c=usb_choose_configuration(udev);
if(c>=0){
//设置配置
err=usb_set_configuration(udev,c);
if(err&&err!=-ENODEV){
dev_err(&udev->dev,"can'tsetconfig#%d,error%d
",
c,err);
/*Thisneednotbefatal.Theusercantryto
*setotherconfigurations.*/
}
}
}
/*USBdevicestate==configured...usable*/
usb_notify_add_device(udev);//通知usb设备添加，对应注册的回调函数会被执行。

return0;
}

三、总结

本文主要描述linux-usb核心的初始化，usb核心是usb子系统的内层，其他的usb模块都基于这个内层再设计。除此之外，着重描述了usb_init()函数的具体执行步骤，如下图所示：