USB core

USB Core — это подсистема ядра Linux, созданная для поддержки USB-устройств и контроллеров шины USB. Целью ее создания — абстрагирование от аппаратной реализации стандарта USB (либо аппаратно-зависимых функций) путем определения набора структур данных, макросов и функций.

История развития

Поддержка USB в ядро Linux была добавлена вскоре после появления ветки ядра 2.2 и незадолго до начала работ в линейке 2.3. Разработки из линейки 2.3 регулярно переносились в линейку 2.2, добавляя тем самым новые возможности, как например, поддержку «горячего подключения», новые драйверы, оптимизацию работы. Линейка ядра 2.5 унаследовала все эти улучшения, причем к ним добавилась поддержка работы с USB 2.0 и, как следствие, более высокая производительность, более устойчивая работа между устройствами, упрощение прикладного интерфейса (делать ошибки в коде стало труднее, а также ведение внутренней документации.

Поскольку возможность запуска Linux со временем появилась и на многих медиаустройствах, то в ходе своей эволюции поддержка USB в Linux разделилась на две части. С одной стороны, Linux может запускаться с подключаемых к устройству USB-устройств (например, флэш-накопители), с другой стороны, на основном компьютере, к которому подключают USB-устройства, также может работать Linux. Используемые при этом драйверы USB сильно различаются, поэтому чтобы их различать для драйверов устройств было введено соответствующее название англ. gadget drivers.

Принцип работы

Внутри ядра драйверы основной ОС обращаются к прикладным интерфейсам USB Core. Существует два типа публичных прикладных интерфейса USB Core, нацеленных на два различных уровня драйвера USB: драйверы общего назначения, доступные через фреймворки драйвера, как например блок, символ или сетевое устройство, и драйверы являющиеся частью ядра, участвующие в управлении шиной USB. Такие драйверы ядра включают в себя драйвер хаба, управляющего деревом USB-устройств, а также несколько различных типов драйверов хост-контроллера (англ.  host controller driver, сокр. HCD), который контролирует отдельные шины.

Метод определения оптимального способа работы драйверов с USB-устройством довольно сложный:

• USB поддерживает 4 способа передачи данных (control, bulk, interrupt и isochronous). Два типа из них (control и bulk) используют всю доступную пропускную способность, тогда как остальные два (interrupt и isochronous) должны обеспечивать заданную пропускную способность.
• Модель описания устройства включает в себя одну или более «конфигураций» для каждого устройства, причем активной в любой момент времени может быть только одна из них. Устройства стандарта «high speed» должны поддерживать и конфигурации для работы со стандартом «full speed», а также возможна поддержка конфигураций и для других стандартов/скоростей.
• Конфигурации имеют один или более «интерфейсов», каждый из которых может содержать различные параметры/настройки. Такие интерфейсы могут соответствовать стандарту USB, а могут быть специфичными лишь для определенного производителя/устройства. И именно к интерфейсам и привязаны драйверы USB-устройств, а не к устройству непосредственно.
• Интерфейсы имеют одну или более «конечных точек» (endpoints), каждая из которых поддерживает один тип и направление передачи данных (например, «bulk out» или «interrupt in»). Полная конфигурация может иметь до шестнадцати конечных точек в каждом направлении.
• Передача данных по USB осуществляется пакетами, причем каждая точка имеет запись о максимальном размере пакета.
• Прикладной интерфейс USB в Linux поддерживает синхронные вызовы для передачи сообщений типа control и bulk. Также поддерживаются асинхронные вызовы для всех видов передачи данных путем использования специальных структур запроса, называемых «блоками запроса USB» (англ. USB Request Blocks, сокр. URBs).

Единственными драйверов хостовой ОС, которые реально обращаются к устройству (регистры чтения/записи, обработка сигналов прерываний и т. д.), это драйверы хост-контроллера. В теории все драйверы хост-контроллера поддерживают схожий функционал за счет использования единого прикладного интерфейса. На практике же это начало поддерживаться лишь в версии ядра 2.5, но при этом есть различия в обработке ошибок.

Список стандартных прикладных интерфейсов

Ниже перечислены стандартные прикладные интерфейсы программирования (API), входящие в состав USB Core.

Название	Функции
usb_init_urb	Инициализирует URB для их последующего использования драйвером USB
usb_alloc_urb	Создает новый URB для его последующего использования драйвером USB
usb_free_urb	Освобождает память, занимаемую URB, по окончании работы всех пользователей с ним
usb_get_urb	Увеличивает счетчик ссылок на URB
usb_submit_urb	Посылает запрос асинхронной передачи к конечному устройству
usb_unlink_urb	Прерывает/отменяет запрос передачи к конечному устройству
usb_kill_urb	Отменяет запрос передачи и ожидает его завершения
usb_control_msg	Создает сообщение управления URB, отсылает его и ожидает выполнения
usb_bulk_msg	Создает общее сообщение URB, отсылает его и ожидает выполнения
usb_sg_init	Инициализирует запрос ввода-вывода общего типа или прерывания на базе распределенного списка
usb_sg_wait	Синхронно выполняет запрос разделения/объединения
usb_sg_cancel	Останавливает разделение/объединение ввода/вывода, начатого по команде usb_sg_wait
usb_get_descriptor	Отправляет обобщенный запрос получения дескриптора (GET_DESCRIPTOR)
usb_string	Возвращает строковый дескриптор в формате ISO 8859-1
usb_get_status	Отправляет вызов GET_STATUS
usb_clear_halt	Сообщает устройству о сбросе состояния ожидания для конечного устройства
usb_set_interface	Делает активными альтернативный набор настроек
usb_reset_configuration	Программная перезагрузка устройства
usb_register_dev	Регистрирует USB-устройство и запрашивает младший номер
usb_deregister_dev	Разрегистрирует динамический младший номер USB-устройства
usb_match_id
usb_register_driver
usb_deregister
usb_ifnum_to_if
usb_altnum_to_altsetting
usb_driver_claim_interface
usb_driver_release_interface
usb_find_interface
usb_get_dev
usb_put_dev
usb_get_intf
usb_put_intf
usb_lock_device_for_reset
usb_find_device
usb_get_current_frame_number
usb_buffer_alloc
usb_buffer_free
usb_buffer_map
usb_buffer_dmasync
usb_buffer_unmap
usb_buffer_map_sg
usb_buffer_dmasync_sg
usb_buffer_unmap_sg
usb_hub_tt_clear_buffer
usb_root_hub_lost_power
usb_reset_device

Ссылки

• The Linux USB Subsystem