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[单片机资料] usb枚举过程守护进程及其唤醒原理分析

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[LV.9]元老将成

发表于 2018-8-10 20:56:39 | 显示全部楼层 |阅读模式

usb热插拔,即usb设备可以实现即插即用,像U盘一样,插到电脑里就可以用,不用时可以直接拔除,这个动作不会影响USB设备使用性能。

        在linx 系统中,usb热插拔由两部分方面共同实现,即内核空间和用户空间,内核由一个守护进程实现,用户空间由udev 程序实现。在内核空间里,有一个专门用于监控usb hub的状态的守护进程,守护进程通过等待队列实现,等待队列平时处理休眠状态,当usb hub上状态变化时(即有usb设备从usb hub上插入或拔出)时,便会去唤醒等待队列,然后去实现usb设备枚举,枚举成功后,向linux系统注册usb设备,并通过kobject_event通知用户空间,有设备插入或拔出,用户空间里有一个专门用于实现动态加载设备节点的程序udev,当它收到内核通知后,能够动态创建usb设备节点,这样便实现了usb的热插拔。

        本文主要从usb设备枚举最基本的几个方面进行讲解,即usb守护进程、守护进程如何唤醒、被谁唤醒。

一.守护进程        在linux系统中,usb是一个相对比较复杂的子系统,所以usb子系统的初始化过程 也相对复杂,涉及了多个方面:usb总线初始化、usb文件系统初始化、usb hub初始化、usb设备驱动注册等。其中,在usb hub初始化usb_hub_init过程中,它除了向系统注册usb hub驱动处,还创建了一个用于监控usb root hub状态的守护进程hub_thread.
        hub_thread由kthread_run创建并唤醒:
  1. khubd_task = kthread_run(hub_thread, NULL, "khubd");  
  2.     if (!IS_ERR(khubd_task))  
  3.         return 0;  
复制代码
  1. static int hub_thread(void *__unused)  
  2. {  
  3.     set_freezable();  
  4.   
  5.     do {  
  6.         hub_events();  
  7.         wait_event_freezable(khubd_wait,  
  8.                 !list_empty(&hub_event_list) ||  
  9.                 kthread_should_stop());  
  10.     } while (!kthread_should_stop() || !list_empty(&hub_event_list));  
  11.   
  12.     pr_debug("%s: khubd exiting\n", usbcore_name);  
  13.     return 0;  
  14. }  
复制代码


        第3行的set_freezable作用是清除当前线程标志flags中的PF_NOFREEZE位,表示当前线程能进入挂起或休眠状态。
        接下来就是一个do...while的死循环,循环结束的条件是当前线程收到stop请求并且hub_event_list列表里为空,守护进程由kthread_run创建并唤醒,当调用kthread_stop时,就会停止该线程;只有收到kthread_stop且hub_event_list列表为空时才会跳出do...while循环。
        在do...while循环中只有两行代码,hub_events为usb系统中最核心部分,这里只要hub_event_list里非空就会运行USB的枚举过程,直到hub_event_list为空,则跳出hub_events,通过wait_event_freezable进入休眠,其中khubd_wait为一个等待队列头,它通过静态方式 定义:
  1. static DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD(khubd_wait);
复制代码

       wait_event_freezable中第二个参数为等待队列进入休眠条件condition,只有第二个参数为假时才能进入休眠,即hub_event_list列表为空且没有收到stop请求,这里hub_event_list肯定为空,所以只要没有收到kthread_stop请求,就能进入休眠,休眠被唤醒后检测condition时否已经满足条件,即condition为真,hub_event_list不为空或收到stop请求,如果是收到stop请求,则直接退出do...while循环,如果是因为hub_event_list非空,则运行hub_events,实现usb枚举。
二 .守护进程唤醒         当运行完hub_events后,usb线程就会通过wait_event_freezable进入休眠状态,直到被信号中断或条件满足被唤醒,usb的守护进程由kick_khubd函数进行唤醒,该函数在多个地方被调用:
  1. static void kick_khubd(struct usb_hub *hub)  
  2. {  
  3.     unsigned long   flags;  
  4.   
  5.     spin_lock_irqsave(&hub_event_lock, flags);  
  6.     if (!hub->disconnected && list_empty(&hub->event_list)) {  
  7.         list_add_tail(&hub->event_list, &hub_event_list);  
  8.   
  9.         /* Suppress autosuspend until khubd runs */  
  10.         usb_autopm_get_interface_no_resume(  
  11.                 to_usb_interface(hub->intfdev));  
  12.         wake_up(&khubd_wait);  
  13.     }  
  14.     spin_unlock_irqrestore(&hub_event_lock, flags);  
  15. }  
复制代码


第6行,只有在hub连接并且hub中的event_list为初始状态;
         第7行,将hub的event_list添加到hub_event_list列表,用于满足守护进程被唤醒时的条件。

第10行,自动挂载计数加1,停止hub在进行枚举的时候进入suspend态。
         第12行,通过wake_up唤醒已经休眠的usb守护进程。
         有多个地方可以调用kick_khubd来唤醒usb守护进程:


          hub有两个端口,即control endpoint和interrupt endpoint,其中interrupt endpoint主要用于查询hub 上的port状态变化。在添加控制器驱动时会创建一个root hub,而当root hub的port上检测到有hub插入时,也会创建一个usb hub,在为root hub或普通hub进行配置时,会为它申请的interrupt endpoint申请urb相关资源:
  1. hub->urb = usb_alloc_urb(0, GFP_KERNEL);  
  2. if (!hub->urb) {  
  3.     ret = -ENOMEM;  
  4.     goto fail;  
  5. }  
  6.   
  7. usb_fill_int_urb(hub->urb, hdev, pipe, *hub->buffer, maxp, hub_irq, hub, endpoint->bInterval);
复制代码


          urb的回调函数为hub_irq:

  1. static void hub_irq(struct urb *urb)  
  2. {  
  3.     struct usb_hub *hub = urb->context;  
  4.     int status = urb->status;  
  5.     unsigned i;  
  6.     unsigned long bits;  
  7.   
  8.     switch (status) {  
  9.     case -ENOENT:       /* synchronous unlink */  
  10.     case -ECONNRESET:   /* async unlink */  
  11.     case -ESHUTDOWN:    /* hardware going away */  
  12.         return;  
  13.   
  14.     default:        /* presumably an error */  
  15.         /* Cause a hub reset after 10 consecutive errors */  
  16.         dev_dbg (hub->intfdev, "transfer --> %d\n", status);  
  17.         if ((++hub->nerrors < 10) || hub->error)  
  18.             goto resubmit;  
  19.         hub->error = status;  
  20.         /* FALL THROUGH */  
  21.   
  22.     /* let khubd handle things */  
  23.     case 0:         /* we got data:  port status changed */  
  24.         bits = 0;  
  25.         for (i = 0; i < urb->actual_length; ++i)  
  26.             bits |= ((unsigned long) ((*hub->buffer)[i]))  
  27.                     << (i*8);  
  28.         hub->event_bits[0] = bits;  
  29.         break;  
  30.     }  
  31.   
  32.     hub->nerrors = 0;  
  33.   
  34.     /* Something happened, let khubd figure it out */  
  35.     kick_khubd(hub);  
  36.   
  37. resubmit:  
  38.     if (hub->quiescing)  
  39.         return;  
  40.   
  41.     if ((status = usb_submit_urb (hub->urb, GFP_ATOMIC)) != 0  
  42.             && status != -ENODEV && status != -EPERM)  
  43.         dev_err (hub->intfdev, "resubmit --> %d\n", status);  
  44. }  
  45.         在hub_irq中可以看到,如果<span style="color: inherit; background-color: rgb(255, 255, 255); font-family: Consolas, &quot;Courier New&quot;, Courier, mono, serif; font-size: 12px;">urb被成功提交给控制器,并成功获取port状态,就会调用kick_khubd唤醒守护进程;</span>
复制代码

对于ohci类型的root hub,它除了和其它hub一样,可以通过usb_submit_urb提交查询hub状态的请求,它还可以通过中断方式去查询,在用usb_add_hcd添加控制器驱动时,会为控制器申请中断:
  1. retval = usb_hcd_request_irqs(hcd, irqnum, irqflags);  
  2. if (retval)  
  3.     goto err_request_irq;
复制代码




         对于ohci类型的控制器,在中断处理程序ohci_irq中,其中有一项就是用来监控root hub上的port状态的:
  1. if (ints & OHCI_INTR_RHSC) {  
  2.     ohci_vdbg(ohci, "rhsc\n");  
  3.     ohci->next_statechange = jiffies + STATECHANGE_DELAY;  
  4.     ohci_writel(ohci, OHCI_INTR_RD | OHCI_INTR_RHSC, ®s->intrstatus);  
  5.     ohci_writel(ohci, OHCI_INTR_RHSC, ®s->intrdisable);  
  6.     usb_hcd_poll_rh_status(hcd);  
  7. }  
复制代码




         当port上状态发生变化时,就会调用usb_hcd_poll_rh_status去查询usb root hub port状态,并调用hub中interrupt urb的回调函数hub_irq,最终去唤醒usb守护进程。

        对于root hub,当它使用usb_submit_urb去提交查询hub状态请求时,它是通过启动一个定时器rh_timer去定时查询root hub状态的,如果成功获取hub状态,并通过hub_irq返回,则在hub_irq最后会再次自动调用usb_submit_urb去获取hub状态。如果不能获取或不能成功通过hub_irq返回,则不会再去调用usb_submit_urb;
         对于root hub可以通过主动去调用usb_submit_urb来查询port状态或通过控制器的中断来处理,除此之外,在向系统添加控制器驱动时,会自动创建并注册一个root hub,驱动将会对这个root hub匹配hub驱动并对它进行配置,配置完后它会主动的调用kick_khubd去唤醒守护进程(hub_activate)。
        如果在枚举的时候发现插入的是一个usb hub,则也会为这个hub匹配其驱动,如果成功匹配驱动,便会对hub进行配置,配置成功后也会去调用kick_khubd去唤醒守护进程。

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