本文從軟件角度分析linux內(nèi)核USB子系統(tǒng)的熱插拔過(guò)程，以實(shí)際分析思路和過(guò)程行文，基于linux內(nèi)核版本：4.19.4，記錄分析USB子系統(tǒng)時(shí)的所得。

導(dǎo)讀

一、USB核心初始化

二、USB設(shè)備的枚舉過(guò)程

（2-1）USB鼠標(biāo)插入后日志分析

（2-2）USB鼠標(biāo)移除/拔下后日志分析

三、 USB host控制器的初始化

四、USB設(shè)備插入后的硬件過(guò)程

五、USB設(shè)備插入后的軟件過(guò)程

一、USB核心初始化

如果linux內(nèi)核開(kāi)啟了對(duì)USB的支持，在內(nèi)核啟動(dòng)過(guò)程中，首先會(huì)對(duì)USB核心進(jìn)行初始化，該過(guò)程則會(huì)打印出如下日志信息：

(1)[ 0.476223] usbcore: registered new interface driver usbfs

(2)[ 0.476286] usbcore: registered new interface driver hub

(3)[ 0.476337] usbcore: registered new device driver usb

上述（1）、（2）兩條信息是調(diào)用usb_register_driver()函數(shù)時(shí)打印出的，從而可以知道在linux內(nèi)核啟動(dòng)過(guò)程中，usb核心會(huì)注冊(cè)u(píng)sbfs、hub接口驅(qū)動(dòng)程序。從內(nèi)核源碼角度，以上hub接口驅(qū)動(dòng)程序的注冊(cè)過(guò)程是在usb_init()中調(diào)用usb_hub_init()完成的，除此之外還創(chuàng)建了hub_wq工作隊(duì)列：

上述第（3）條信息是在usb_init()中調(diào)用：

usb_register_device_driver(&usb_generic_driver,THIS_MODULE);

當(dāng)在成功注冊(cè)u(píng)sb設(shè)備驅(qū)動(dòng)后打印出的日志信息。

二、USB設(shè)備的枚舉過(guò)程

本小節(jié)以低速USB鼠標(biāo)設(shè)備插入為例，查看linux內(nèi)核對(duì)USB設(shè)備的枚舉過(guò)程。

（2-1）USB鼠標(biāo)插入后日志分析

我們都知道USB支持熱插拔，在linux系統(tǒng)中，這個(gè)熱插拔是怎樣的一個(gè)過(guò)程，本小節(jié)將描述這個(gè)話(huà)題。

當(dāng)USB設(shè)備接入系統(tǒng)時(shí)（熱插拔探測(cè)過(guò)程），文本以插入一個(gè)USB鼠標(biāo)為例，則會(huì)打印出類(lèi)似下述的信息：

[ 3122.476846] usb 4-1: new low-speed USB device number 5 using ohci-platform

[ 3122.702408] usb 4-1: New USB device found, idVendor=17ef, idProduct=6019, bcdDevice= 1.00

[ 3122.702503] usb 4-1: New USB device strings: Mfr=1, Product=2, SerialNumber=0

[ 3122.702537] usb 4-1: Product: Lenovo Optical USB Mouse

[ 3122.702568] usb 4-1: Manufacturer: PixArt

[ 3122.713317] input: PixArt Lenovo Optical USB Mouse as /devices/platform/fd8c0000.usb/usb4/4-1/4-1:1.0/00036019.0004/input/input8

[ 3122.771015] hid-generic 00036019.0004: input,hidraw0: USB HID v1.11 Mouse [PixArt Lenovo Optical USB Mouse] on usb-fd8c0000.usb-1/input0

[1058.921] event5 - PixArt Lenovo Optical USB Mouse: is tagged by udev as: Mouse

[1058.923] event5 - PixArt Lenovo Optical USB Mouse: device is a pointer

[1058.930] libinput: configuring device "PixArt Lenovo Optical USB Mouse".

[1058.937] associating input device event5 with output LVDS-1 (none by udev)

從上述內(nèi)容可道，linux內(nèi)核提示識(shí)別到了一個(gè)新的low-speedUSB（低速設(shè)備），并且得到了關(guān)于該USB鼠標(biāo)相關(guān)的參數(shù)信息。然后input輸入子系統(tǒng)打印出了兩條信息：

[ 3122.713317] input: PixArt Lenovo Optical USB Mouse as /devices/platform/fd8c0000.usb/usb4/4-1/4-1:1.0/00036019.0004/input/input8

[ 3122.771015] hid-generic 00036019.0004: input,hidraw0: USB HID v1.11 Mouse [PixArt Lenovo Optical USB Mouse] on usb-fd8c0000.usb-1/input0

接著用戶(hù)空間程序打印出了幾條信息：

[1058.921] event5 - PixArt Lenovo Optical USB Mouse: is tagged by udev as: Mouse

[1058.923] event5 - PixArt Lenovo Optical USB Mouse: device is a pointer

[1058.930] libinput: configuring device "PixArt Lenovo Optical USB Mouse".

[1058.937] associating input device event5 with output LVDS-1 (none by udev)

至此，可以知道當(dāng)USB鼠標(biāo)插入usb接口后，linux內(nèi)核會(huì)識(shí)別到usb設(shè)備插入并且打印出識(shí)別到的信息，然后會(huì)交給input輸入子系統(tǒng)識(shí)別，因?yàn)槭髽?biāo)是一個(gè)輸入設(shè)備，應(yīng)歸屬于輸入子系統(tǒng)下，輸入子系統(tǒng)會(huì)向用戶(hù)空間暴露出操作接口。接著用戶(hù)空間程序檢測(cè)到用戶(hù)的輸入識(shí)別進(jìn)而打印出相關(guān)的識(shí)別信息，從而完成整個(gè)識(shí)別過(guò)程。

從內(nèi)核源碼角度，usb內(nèi)核識(shí)別階段打印設(shè)備描述符信息的操作函數(shù)是announce_device()，實(shí)現(xiàn)如下：

static void announce_device(struct usb_device *udev)

{

u16 bcdDevice = le16_to_cpu(udev->descriptor.bcdDevice);

dev_info(&udev->dev,

"New USB device found, idVendor=%04x, idProduct=%04x, bcdDevice=%2x.%02x

",

le16_to_cpu(udev->descriptor.idVendor),

le16_to_cpu(udev->descriptor.idProduct),

bcdDevice >> 8, bcdDevice & 0xff);

dev_info(&udev->dev,

"New USB device strings: Mfr=%d, Product=%d, SerialNumber=%d

",

udev->descriptor.iManufacturer,

udev->descriptor.iProduct,

udev->descriptor.iSerialNumber);

show_string(udev, "Product", udev->product);

show_string(udev, "Manufacturer", udev->manufacturer);

show_string(udev, "SerialNumber", udev->serial);

}

#elsestatic inline void announce_device(struct usb_device *udev) { }

#endif

（2-2）USB鼠標(biāo)移除/拔下后日志分析

當(dāng)usb設(shè)備移除后，則會(huì)打印出類(lèi)似以下的信息：

（1）[ 2791.684059] usb 4-1: USB disconnect, device number 4

（2）[1027.777] event5 - PixArt Lenovo Optical USB Mouse: device removed

第（1）條信息是linux內(nèi)核usb核心識(shí)別到usb設(shè)備被移除/拔出后，打印出的信息，這個(gè)過(guò)程是內(nèi)核空間的過(guò)程。

第（2）條信息是用戶(hù)空間程序識(shí)別到usb鼠標(biāo)設(shè)備被拔出后打印出的信息，這個(gè)過(guò)程是用戶(hù)空間程序的操作過(guò)程。

三、 usb host控制器的初始化

一般情況下，處理器平臺(tái)內(nèi)部都集成了USB host主機(jī)控制器，linux內(nèi)核中，對(duì)usb host控制器的初始化發(fā)生在內(nèi)核啟動(dòng)階段，從內(nèi)核啟動(dòng)打印出的日志中，可以找到類(lèi)似如下的信息（輸出中加有標(biāo)記信息）：

[ 0.779954] usb usb1: New USB device strings: Mfr=3, Product=2, SerialNumber=1

[ 0.779969] usb usb1: Product: EHCI Host Controller

[ 0.779978] usb usb1: Manufacturer: Linux 4.19.232 ehci_hcd

[ 0.779991] usb usb1: SerialNumber: fd800000.usb

[ 0.780002]

[ 0.780002] ================usb_new_device==============

[ 0.780432] ==================================enter hub_probe=============================

[ 0.780453] hub 1-0 USB hub found

[ 0.780493] hub 1-0 1 port detected

[ 0.783005] ehci-platform fd880000.usb: EHCI Host Controller

[ 0.783186] ehci-platform fd880000.usb: new USB bus registered, assigned bus number 2

[ 0.783503] ehci-platform fd880000.usb: irq 14, io mem 0xfd880000

[ 0.796390] ehci-platform fd880000.usb: USB 2.0 started, EHCI 1.00

[ 0.796606] usb usb2: New USB device found, idVendor=1d6b, idProduct=0002, bcdDevice= 4.19

[ 0.796626] usb usb2: New USB device strings: Mfr=3, Product=2, SerialNumber=1

[ 0.796641] usb usb2: Product: EHCI Host Controller

[ 0.796655] usb usb2: Manufacturer: Linux 4.19.232 ehci_hcd

[ 0.796669] usb usb2: SerialNumber: fd880000.usb

[ 0.796680]

[ 0.796680] ================usb_new_device==============

[ 0.797080] ==================================enter hub_probe=============================

[ 0.797100] hub 2-0 USB hub found

[ 0.797142] hub 2-0 1 port detected

[ 0.797861] ohci_hcd: USB 1.1 'Open' Host Controller (OHCI) Driver

[ 0.797892] ohci-platform: OHCI generic platform driver

[ 0.798121] ohci-platform fd840000.usb: Generic Platform OHCI controller

[ 0.798290] ohci-platform fd840000.usb: new USB bus registered, assigned bus number 3

[ 0.798541] ohci-platform fd840000.usb: irq 13, io mem 0xfd840000

[ 0.857203] usb usb3: New USB device found, idVendor=1d6b, idProduct=0001, bcdDevice= 4.19

[ 0.857224] usb usb3: New USB device strings: Mfr=3, Product=2, SerialNumber=1

[ 0.857239] usb usb3: Product: Generic Platform OHCI controller

[ 0.857252] usb usb3: Manufacturer: Linux 4.19.232 ohci_hcd

[ 0.857265] usb usb3: SerialNumber: fd840000.usb

[ 0.857276]

[ 0.857276] ================usb_new_device==============

[ 0.857683] ==================================enter hub_probe=============================

[ 0.857703] hub 3-0 USB hub found

[ 0.857750] hub 3-0 1 port detected

[ 0.858206] ohci-platform fd8c0000.usb: Generic Platform OHCI controller

[ 0.858386] ohci-platform fd8c0000.usb: new USB bus registered, assigned bus number 4

[ 0.858624] ohci-platform fd8c0000.usb: irq 15, io mem 0xfd8c0000

[ 0.917200] usb usb4: New USB device found, idVendor=1d6b, idProduct=0001, bcdDevice= 4.19

[ 0.917220] usb usb4: New USB device strings: Mfr=3, Product=2, SerialNumber=1

[ 0.917234] usb usb4: Product: Generic Platform OHCI controller

[ 0.917248] usb usb4: Manufacturer: Linux 4.19.232 ohci_hcd

[ 0.917260] usb usb4: SerialNumber: fd8c0000.usb

[ 0.917271]

[ 0.917271] ================usb_new_device==============

[ 0.917662] ==================================enter hub_probe=============================

[ 0.917683] hub 4-0 USB hub found

[ 0.917740] hub 4-0 1 port detected

[ 0.919175] xhci-hcd xhci-hcd.0.auto: xHCI Host Controller

[ 0.919378] xhci-hcd xhci-hcd.0.auto: new USB bus registered, assigned bus number 5

[ 0.919920] xhci-hcd xhci-hcd.0.auto: hcc params 0x0220fe64 hci version 0x110 quirks 0x0000011002010010

[ 0.919992] xhci-hcd xhci-hcd.0.auto: irq 81, io mem 0xfd000000

[ 0.920297] usb usb5: New USB device found, idVendor=1d6b, idProduct=0002, bcdDevice= 4.19

[ 0.920316] usb usb5: New USB device strings: Mfr=3, Product=2, SerialNumber=1

[ 0.920331] usb usb5: Product: xHCI Host Controller

[ 0.920344] usb usb5: Manufacturer: Linux 4.19.232 xhci-hcd

[ 0.920357] usb usb5: SerialNumber: xhci-hcd.0.auto

[ 0.920369]

[ 0.920369] ================usb_new_device==============

[ 0.920786] ==================================enter hub_probe================

[ 0.920806] hub 5-0 USB hub found

[ 0.920849] hub 5-0 1 port detected

[ 0.921167] xhci-hcd xhci-hcd.0.auto: xHCI Host Controller

[ 0.921325] xhci-hcd xhci-hcd.0.auto: new USB bus registered, assignStarting syslogd: ed bus number 6

[ 0.921352] xhci-hcd xhci-hcd.0.auto: Host supports OK

USB 3.0 SuperSpeed

[ 0.921433] usb usb6: We don't know the alStarting klogd: gorithms for LPM for this host, disabling LPM.

[ 0.921559] usbOK

usb6: New USB device found, idVendor=1d6b, idProduct=0003, bcdDevice= 4.19

[ 0.921577]Populating /dev using udev: usb usb6: New USB device strings: Mfr=3, Product=2, SerialNumber=1

[ 0.921593] usb usb6: Product: xHCI Host Controller

[ 0.921607] usb usb6: Manufacturer: Linux 4.19.232 xhci-hcd

[ 0.921620] usb usb6: SerialNumber: xhci-hcd.0.auto

[ 0.921630]

[ 0.921630] ================usb_new_device============

[ 0.922028] ====================enter hub_probe=============================

=============

[ 0.922047] hub 6-0 USB hub found

[ 0.922086] hub 6-0 1 port detected

在linux USB子系統(tǒng)中，需使用usb_register_bus()將USB host控制器注冊(cè)到USB核心上，該函數(shù)由usb_add_hcd()調(diào)用，用于完成通用hcd結(jié)構(gòu)的初始化和注冊(cè)，并調(diào)用驅(qū)動(dòng)程序的reset()和start()。

我們已經(jīng)知道，在usb通信機(jī)制中，處理器內(nèi)部一般都會(huì)集成host控制器，所以同樣需要有對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序去驅(qū)動(dòng)。usb_add_hcd()函數(shù)則會(huì)在usb的主機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)程序的probe過(guò)程中被調(diào)用，內(nèi)核中，幾乎所有的usb host控制器驅(qū)動(dòng)都是這樣的寫(xiě)法。

在USB Host控制器驅(qū)動(dòng)框架下，有一個(gè)重要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：struct usb_hcd，用于描述一個(gè)USB Host Controller Driver（簡(jiǎn)寫(xiě)HCD）。例如通用平臺(tái)ohci驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)文件則是：ohci-platform.c，源碼中有如下代碼：

usb_create_hcd用于創(chuàng)建并初始化一個(gè)hcd結(jié)構(gòu)描述符：

usb_add_hcd用于初始化hcd結(jié)構(gòu)和注冊(cè)hcd：

調(diào)用platform_get_irq()為設(shè)備分配中斷號(hào)：

在usb_add_hcd()中會(huì)調(diào)用usb_hcd_request_irqs()：

從上圖可知，其會(huì)調(diào)用request_irq()這個(gè)重磅函數(shù)為ohci host控制器分配中斷，中斷處理函數(shù)為usb_hcd_irq ()：

irqreturn_t usb_hcd_irq (int irq, void *__hcd)

{

struct usb_hcd *hcd = __hcd;

irqreturn_t rc;

if (unlikely(HCD_DEAD(hcd) || !HCD_HW_ACCESSIBLE(hcd)))

rc = IRQ_NONE;

else if (hcd->driver->irq(hcd) == IRQ_NONE)

rc = IRQ_NONE;

else

rc = IRQ_HANDLED;

return rc;

}

仔細(xì)分析上述代碼，又回去了：在hcd中斷處理函數(shù)中則會(huì)去調(diào)用執(zhí)行hcd驅(qū)動(dòng)程序指定的irq：

hcd->driver->irq(hcd)

那么對(duì)于ohci控制器來(lái)說(shuō)，irq則是ohci_irq()，如下圖所示：

綜上，如果處理器內(nèi)部usb host控制器符合ohci通用標(biāo)準(zhǔn)，則可以使用ohci-platform.c下的驅(qū)動(dòng)程序，這意味著當(dāng)ohci類(lèi)的usb設(shè)備插入時(shí)，對(duì)應(yīng)的中斷處理函數(shù)會(huì)被調(diào)用執(zhí)行（小生根據(jù)實(shí)際源碼運(yùn)行驗(yàn)證過(guò)，也確實(shí)如此）

在linux內(nèi)核中，對(duì)于ehci和xhci的host控制器，同樣有對(duì)應(yīng)的通用驅(qū)動(dòng)程序。只要處理器平臺(tái)內(nèi)部USB host控制器符合linux內(nèi)核提供的通用驅(qū)動(dòng)即可使用。

四、USB設(shè)備插入后的硬件過(guò)程

從linux內(nèi)核源碼反推硬件對(duì)插入的USB設(shè)備的識(shí)別，大概知道這個(gè)過(guò)程是由處理器內(nèi)部的host控制器完成的。當(dāng)插入U(xiǎn)SB設(shè)備后，將觸發(fā)對(duì)應(yīng)的usb host控制器的中斷，中斷進(jìn)而又由中斷控制器捕獲，從而將中斷信息由硬件轉(zhuǎn)向linux內(nèi)核的中斷系統(tǒng)，從前面分析可知，USB host控制器驅(qū)動(dòng)程序都為對(duì)應(yīng)的控制器指定了中斷處理函數(shù)，那么在中斷處理函數(shù)中，則會(huì)讀取控制器的寄存器參數(shù)值從而獲取控制器狀態(tài)，除此之外在中斷處理函數(shù)中還做了很多事情（標(biāo)準(zhǔn)xhci控制器驅(qū)動(dòng)程序的寫(xiě)法與ohci、ehci標(biāo)準(zhǔn)控制器驅(qū)動(dòng)有很大不同，暫不過(guò)多深究！），例如調(diào)用usb_hcd_poll_rh_status()，但目的只有一個(gè)：激活刷新usb hub。

五、USB設(shè)備插入后的軟件過(guò)程

當(dāng)usb hub被激活刷新后，其后會(huì)調(diào)用到hub_event，后續(xù)的調(diào)用邏輯如下：

hub_events()->hub_port_connect_change()->hub_port_connect()->usb_new_device()

->device_add()->kobject_uevent()

usb_new_device()是創(chuàng)建usb新設(shè)備的核心函數(shù)，在linux內(nèi)核啟動(dòng)過(guò)程中或者插入usb設(shè)備后，USB核心會(huì)調(diào)用這個(gè)函數(shù)。

kobject_uevent()用于向用戶(hù)空間發(fā)送uevent事件，通知用戶(hù)空間的偵聽(tīng)程序USB設(shè)備已經(jīng)插入。

『筆者在瀏覽查詢(xún)資料時(shí)，發(fā)現(xiàn)了這個(gè)問(wèn)題，在此一并列出』

Q1：如果USB設(shè)備的驅(qū)動(dòng)是在設(shè)備插入時(shí)動(dòng)態(tài)加載的，那這個(gè)加載過(guò)程，處在這一個(gè)過(guò)程的哪一個(gè)位置？

A1：調(diào)用bus_probe_device(dev)完成！

綜上，得出結(jié)論：在linux內(nèi)核中，一個(gè)USB設(shè)備插入時(shí)，其設(shè)備驅(qū)動(dòng)是動(dòng)態(tài)加載的

審核編輯：陳陳