USB总线-Linux内核USB3.0设备控制器复合设备之legacy方式分析（八）

1.概述

在usb gadget configfs引入到内核之前，内核都使用硬编码的方式实现复合设备，无法在用户空间动态修改和绑定不同的function驱动，若要修改，则需要修改内核代码，重新编码，非常不方便。目前这部分代码在被放到drivers/usb/gadget/legacy/目录下。被编译成内核模块时，名称以g开头，如音频设备g_audio.ko、串口设备g_serial.ko、CDC设备及大容量存储设备g_multi.ko。USB gadget configfs和legacy相比只是实现复合设备的形式不同而已，设备的功能最终还是要通过function驱动实现。下面以音频复合设备为例，分析g_audio驱动的工作过程。

2.音频复合设备驱动

从前面的分析中可以看出，复合设备驱动围绕usb_composite_driver和usb_composite_dev两个数据结构展开，legacy方式的复合设备驱动也不例外。

2.1.定义

音频复合设备的实现在drivers/usb/gadget/legacy/audio.c文件中，其usb_composite_driver数据结构定义如下。最重要的是audio_bind和audio_unbind两个回调函数，在g_audio驱动绑定时和解除绑定时调用。g_audio驱动使用module_usb_composite_driver宏注册到内核中，初始化函数为usb_composite_probe，卸载函数为usb_composite_unregister。

[drivers/usb/gadget/legacy/audio.c]
static struct usb_composite_driver audio_driver = {
	.name		= "g_audio",       // 驱动名称
	.dev		= &device_desc,    // USB设备描述符，USB复合设备只有一个设备描述符
	.strings	= audio_strings,   // 字符串
	.max_speed	= USB_SPEED_HIGH,  // USB设备最大速度，USB2.0
	.bind		= audio_bind,      // audio composite驱动bind回调函数
	.unbind		= audio_unbind,    // audio composite驱动unbind回调函数
};
module_usb_composite_driver(audio_driver);  // 注册audio_driver

[include/linux/usb/composite.h]
#define module_usb_composite_driver(__usb_composite_driver) \
	module_driver(__usb_composite_driver, usb_composite_probe, \
		       usb_composite_unregister)

module_driver宏定义如下，最终还是通过module_init初始化，module_exit宏卸载。

[include/linux/device.h]
#define module_driver(__driver, __register, __unregister, ...) \
static int __init __driver##_init(void) \
{ \
	return __register(&(__driver) , ##__VA_ARGS__); \
} \
module_init(__driver##_init); \
static void __exit __driver##_exit(void) \
{ \
	__unregister(&(__driver) , ##__VA_ARGS__); \
} \
module_exit(__driver##_exit);

2.2.参数

g_audio驱动将音频参数定义为模块参数，如下所示，加载模块的时候可以指定选项修改这些参数的默认值。

[drivers/usb/gadget/legacy/audio.c]
/* Playback(USB-IN) Default Stereo - Fl/Fr */
static int p_chmask = UAC2_DEF_PCHMASK;
module_param(p_chmask, uint, S_IRUGO);
MODULE_PARM_DESC(p_chmask, "Playback Channel Mask");

/* Playback Default 48 KHz */
static int p_srate = UAC2_DEF_PSRATE;
module_param(p_srate, uint, S_IRUGO);
MODULE_PARM_DESC(p_srate, "Playback Sampling Rate");

/* Playback Default 16bits/sample */
static int p_ssize = UAC2_DEF_PSSIZE;
module_param(p_ssize, uint, S_IRUGO);
MODULE_PARM_DESC(p_ssize, "Playback Sample Size(bytes)");

/* Capture(USB-OUT) Default Stereo - Fl/Fr */
static int c_chmask = UAC2_DEF_CCHMASK;
module_param(c_chmask, uint, S_IRUGO);
MODULE_PARM_DESC(c_chmask, "Capture Channel Mask");

/* Capture Default 64 KHz */
static int c_srate = UAC2_DEF_CSRATE;
module_param(c_srate, uint, S_IRUGO);
MODULE_PARM_DESC(c_srate, "Capture Sampling Rate");

/* Capture Default 16bits/sample */
static int c_ssize = UAC2_DEF_CSSIZE;
module_param(c_ssize, uint, S_IRUGO);
MODULE_PARM_DESC(c_ssize, "Capture Sample Size(bytes)");

驱动模块加载成功后，这些参数会被导出到用户空间，目录为/sys/module/g_audio/parameters。

2.3.初始化

g_audio驱动调用usb_composite_probe函数初始化，执行流程如下图所示。和USB gadget configfs定义的复合设备驱动初始化流程相似，只是设置的usb_gadget_driver不同。USB gadget configfs定义的usb_gadget_driver为configfs_driver_template，而legacy方式定义的usb_gadget_driver为composite_driver_template。composite_driver_template是function驱动和UDC驱动沟通的桥梁，在适当的时机会被UDC驱动回调。

[drivers/usb/gadget/composite.c]
static const struct usb_gadget_driver composite_driver_template = {
	.bind		= composite_bind,
	.unbind		= composite_unbind,

	.setup		= composite_setup,
	.reset		= composite_disconnect,
	.disconnect	= composite_disconnect,

	.suspend	= composite_suspend,
	.resume		= composite_resume,

	.driver	= {
		.owner		= THIS_MODULE,
	},
};

usb_composite_probe的工作流程如下：

1. 设置usb_gadget_driver为composite_driver_template。
2. 将audio_driver设置的最大速度设置到composite_driver_template，表明该复合设备支持的最大速度。
3. 调用UDC驱动接口，找到合适的USB设备控制器绑定composite_driver_template。
   1. 遍历udc_list链表，查找第一个USB控制器。USB gadget configfs根据名称查找USB设备控制器，而legacy方式只匹配第一个USB设备控制器，无法匹配指定的USB设备控制器。
   2. 找到USB设备控制器后，UDC数据结构保存composite_driver_template，此时就完成了UDC绑定composite_driver_template。
   3. 回调composite_driver_template定义的composite_bind函数，将复合设备和function驱动绑定。
   4. 分配端点0的usb_request、分配USB请求的缓冲区、设置usb_request的回调函数、复位所有端点，并将gadget的端点数量清零。
   5. 回调复合设备驱动g_audio定义的audio_bind函数。复合设备和function驱动绑定在这里完成，主要是添加配置、调用f_uac2驱动的afunc_alloc_inst和afunc_alloc函数创建usb_function_instance和usb_function、调用f_uac2驱动的 afunc_bind 函数。
   6. 如果使用os_string，则需要分配os_string requset、分配USB请求的缓冲区、设置USB请求的回调函数。
   7. 将audio_driver中定义的设备描述符更新到usb_composite_dev中。
   8. 将usb_composite_driver中定义的设备描述符更新到usb_composite_dev中。

3.总结

从上面可以看出，legacy方式定义的复合设备很不灵活，使用者无法在用户空间动态配置复合设备和绑定的function驱动。若要使用音频设备，则只能通过g_audio驱动构造复合设备，若使用USB虚拟网卡，则只能通过g_ether驱动构造复合设备，若需要多个功能的USB设备，则需要重新构造复合设备，编码定义usb_composite_driver。USB gadget configfs不需要在内核中预先定义好复合设备，使用者在用户空间配置，内核会自动生成所需的复合设备，并和对应的function驱动绑定。