Linux内核探索：USB Hub的奥秘

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"Linux那些事儿之我是Hub - 一本关于Linux Hub设备编程的深入解析书籍" 在Linux操作系统中，Hub是一个非常关键的硬件组件，尤其是在USB（通用串行总线）设备交互中。这本书《Linux那些事儿之我是Hub》详细探讨了与Linux Hub相关的各种技术细节和编程实践，旨在帮助读者深入理解Hub在Linux系统中的工作原理和实现方法。书中首先通过引子引入了作者的生活点滴，以此为背景，展示了学习和研究Linux的热情。随后的内容逐步深入，涵盖了以下几个核心知识点： 1. **Root Hub**: Root Hub是每个USB控制器的基础，它是连接主机和所有USB设备的桥梁。书中特别讨论了Root Hub的特殊性质和它在USB架构中的角色。 2. **API接口**: 书中详细讲解了与USB Hub交互的Linux内核API，包括如何初始化、控制和管理Hub设备。 3. **队列与队列操作函数**: 描述了USB数据传输中的队列机制，以及如何使用相关的内核函数进行数据的收发和调度。 4. **Probe函数**: Probe是Linux驱动程序中常见的设备探测函数，书中详细阐述了在Hub设备探测过程中的应用和注意事项。 5. **电源管理**: 书中讨论了Linux系统中Hub设备的电源管理策略，包括四大电源管理消息和Suspend分析，揭示了如何实现节能和高效的数据传输。 6. **热插拔支持**: 解释了Linux如何处理USB设备的动态插入和移除，以及热插拔带来的挑战和解决方案。 7. **代码分析与理论结合**: 不仅提供了大量代码示例，还解释了背后的理论基础，帮助读者理解实际操作和设计思路。 8. **关键函数详解**: 书中的“八大重量级函数”章节深入剖析了与Hub设备操作密切相关的内核函数，帮助读者掌握USB Hub驱动开发的关键技能。 9. **错误处理与异常情况**: 书中讨论了一些常见的问题，如错误处理机制和如何应对特定的硬件故障。 10. **设备识别与配置**: 阐述了Linux系统如何识别、配置和管理连接到Hub的多个USB设备。通过这本书的学习，读者不仅可以了解到Linux Hub的底层实现，还能获得编写USB Hub驱动程序的实战经验。无论是对Linux内核感兴趣的开发者，还是需要处理USB设备问题的工程师，都能从中获益匪浅。

Linux 那些事儿之我是 Hub

不言自明,判断队列是否为空,我们说了,初始化的时候这个 hub_event_list()队列是空的.

有了队列,自然就要操作队列,要往队列里加东西,减东西,就像我们每个人每天都在不停的走进去,

又走出来,似是梦境又不是梦境.一切都是不经意的.走进去是一年四季,走出来是春夏秋冬.来看

第二个函数,list_add_tail(),这就是往队列里加东西.

76 /**

77 * list_add_tail - add a new entry

78 * @new: new entry to be added

79 * @head: list head to add it before

80 *

81 * Insert a new entry before the specified head.

82 * This is useful for implementing queues.

83 */

84 static inline void list_add_tail(struct list_head *new, struct list_head

*head)

85 {

86 __list_add(new, head->prev, head);

87 }

继续跟着__list_add()看就会发现其实就是往队列的末尾加一个元素.

43 static inline void __list_add(struct list_head *new,

44 struct list_head *prev,

45 struct list_head *next)

46 {

47 next->prev = new;

48 new->next = next;

49 new->prev = prev;

50 prev->next = new;

51 }

搞懂谭浩强那本书之后看这些链表的代码那就是小菜一碟.再来看下一个,list_del_init(),队列

里的元素不能只加不减,没用了的元素就该删除掉,把空间腾出来给别人.郭敬明说过,我生命里的

温暖就那么多,我全部给了你,但是你离开了我,你叫我以后怎么再对别人笑…

250 /**

251 * list_del_init - deletes entry from list and reinitialize it.

252 * @entry: the element to delete from the list.

253 */

254 static inline void list_del_init(struct list_head *entry)

255 {

256 __list_del(entry->prev, entry->next);

257 INIT_LIST_HEAD(entry);

258 }

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Linux 那些事儿之我是 Hub

从队列里删除一个元素,并且将该元素做初始化,首先看__list_del(),

148 /*

149 * Delete a list entry by making the prev/next entries

150 * point to each other.

151 *

152 * This is only for internal list manipulation where we know

153 * the prev/next entries already!

154 */

155 static inline void __list_del(struct list_head * prev, struct list_head * next)

156 {

157 next->prev = prev;

158 prev->next = next;

159 }

INIT_LIST_HEAD()其实就是初始化为最初的状态,即一个空链表.如下:

30 static inline void INIT_LIST_HEAD(struct list_head *list)

31 {

32 list->next = list;

33 list->prev = list;

34 }

当然了,还有超级经典的一个,list_entry(),和以上所有 list 方面的宏一样,也是来自

include/linux/list.h:

419 /**

420 * list_entry - get the struct for this entry

421 * @ptr: the &struct list_head pointer.

422 * @type: the type of the struct this is embedded in.

423 * @member: the name of the list_struct within the struct.

424 */

425 #define list_entry(ptr, type, member) \

426 container_of(ptr, type, member)

我相信,list_entry()这个宏在 Linux 内核代码中的地位,就相当于广告词中的任静付笛生的洗洗

更健康,相当于大美女关之琳的一分钟轻松做女人,这都是耳熟能详妇孺皆知的,是经典中的经典.

如果你说你不知道 list_entry(),那你千万别跟人说你懂 Linux内核,就好比你不知道陈文登不知

道任汝芬你就根本不好意思跟人说你考过研,要知道每个考研人都是左手一本陈文登右手一本任

汝芬.

可惜,关于 list_entry,这个谭浩强老师的书里就没有了,当然你不能指责谭浩强的书不行,再好的

书也不可能包罗万象.这个宏应该说还是有一定技术含量的.我印象中外企面试笔试中,有三次比

较经典的链表考题,其中对 list_entry 的解释就是其中一次,威盛的笔试,而另外两次是摩托罗拉

中国研发中心和IBM.摩托罗拉那次是在中信泰富广场,问了我一道骨灰级的问题,给定一个链表,

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Linux 那些事儿之我是 Hub

如何判断链表中是否有环,而 IBM 那次也是问的一道化石级的问题,说给定一个单向链表,请设计

一个比较快的算法来找到该链表中的倒数第 m个元素.像我这种低智商+不学无术的人怎么可能

回答得出这样的问题.也许只有错过 IBM 这个我当时最心仪的公司才能给我留下刻骨铭心的伤

痛吧.每一段文字都有一段刻骨铭心的经历,人们能看见我在屏幕上打的字,却看不见我流在键盘

上的泪.我记得当年有一个房地产公司来我们学校招聘,是瑞安房地产,当时我一边投简历一边对

同学说,要就别让我就了瑞安,进了瑞安我第一件事就是把 IBM赶出瑞安广场,哼.算了,有些东西,

注定和我们无缘,以前是,现在是,将来也是.

关于 list_entry(),让我们结合实例来看,我们在 hub 的故事里会接触到的一个重要的数据结构

就是 struct usb_hub,来自 drivers/usb/core/hub.c

34 struct usb_hub {

35 struct device *intfdev; /* the "interface" device */

36 struct usb_device *hdev;

37 struct urb *urb; /* for interrupt polling

pipe */

39 /* buffer for urb ... with extra space in case of babble */

40 char (*buffer)[8];

41 dma_addr_t buffer_dma; /* DMA address for

buffer */

42 union {

43 struct usb_hub_status hub;

44 struct usb_port_status port;

45 } *status; /* buffer for status

reports */

46 struct mutex status_mutex; /* for the status buffer

48 int error; /* last reported error */

49 int nerrors; /* track consecutive errors

51 struct list_head event_list; /* hubs w/data or errs

ready */

52 unsigned long event_bits[1]; /* status change bitmask

53 unsigned long change_bits[1]; /* ports with logical

connect

54 status change */

55 unsigned long busy_bits[1]; /* ports being reset or

56 resumed */

57 #if USB_MAXCHILDREN > 31 /* 8*sizeof(unsigned long) - 1 */

58 #error event_bits[] is too short!

59 #endif

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Linux 那些事儿之我是 Hub

61 struct usb_hub_descriptor *descriptor; /* class descriptor */

62 struct usb_tt tt; /* Transaction Translator

64 unsigned mA_per_port; /* current for each

child */

66 unsigned limited_power:1;

67 unsigned quiescing:1;

68 unsigned activating:1;

70 unsigned has_indicators:1;

71 u8 indicator[USB_MAXCHILDREN];

72 struct delayed_work leds;

73 };

看到了吗,51 行,struct list_head event_list,这个结构体变量将为我们组建一个队列,或者说

组建一个链表.我们知道,一个 struct usb_hub 代表一个 hub,每一个 struct usb_hub 有一个

event_list,即每一个 hub 都有它自己的一个事件列表,要知道 hub 可以有一个或者有多个,而

hub驱动只需要一个,或者说 khubd这个精灵进程永远都只有一个,而我们的做法是,不管实际上

有多少个 hub,我们最终都会将其 event_list 挂入到全局链表 hub_event_list 中来统一处理

(hub_event_list 是对于整个 usb 系统来说是全局的,但对于整个内核来说当然是局部的,毕竟

它前面有一个 static).因为最终处理所有 hub的事务的都是我们这一个精灵进程 khubd,它只需

要判断 hub_event_list 是否为空,不为空就去处理.或者说就去出发 hub_events()函数,但当

我们真的要处理 hub 的事件的时候,我们当然又要知道具体是哪个 hub 触发了这起事件.而

list_entry 的作用就是,从 struct list_head event_list 得到它所对应的 struct usb_hub 结构

体变量.比如以下四行代码:

struct list_head *tmp;

struct usb_hub *hub;

tmp=hub_event_list.next;

hub=list_entry(tmp,struct usb_hub,event_list);

从全局链表 hub_event_list 中取出一个来,叫做 tmp,然后通过 tmp,获得它所对应的 struct

usb_hub.

最后,总结陈词,本方论点:中学我们学习写议论文的时候,老师教过有这样几种结构,总分总式结

构,对照式结构,层进式结构,并列式结构.而总分总式就是先提出中心论点,然后围绕中心,以不同

角度提出分论点,展开论述,最后进行总结.而总分总具体来说又有总分,分总,总分总三种形式.以

前我以为 Linus只是技术比我强,现在我算是看明白了,这家伙语文学得也比我好.看出来了么?这

里采用的就是我们议论文中的总分总结构,先设置一个链表,hub_event_list,设置一个总的函数

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Linux 那些事儿之我是 Hub

hub_events(),这是总,然后每一个 hub 都有一个 event_list,每当有一个 hub 的 event_list

出现了变化,就把它的 event_list 插入到 hub_event_list 中来,这是分,然后触发总函数

hub_events(),这又是总,然后在 hub_events()里又根据 event_list 来确定是哪个 struct

usb_hub,或者说是哪个 hub 有事情,又针对该 hub 进行具体处理,这又是分.这就是 Linux 中

hub驱动的中心思想.Linus,I服了 U!从前我只佩服复旦大学中文系系主任陈思和,他早上 8点的

公选课学生 7点去就没有了座位,堪称复旦的奇迹,而 Linus你和你的那些伙伴们让我们知道了真

正的文学泰斗是从来不写文学著作的!是从来不讲论语心得,从来不去品三国的!

最后的最后,提醒一下,struct usb_hub 这里贴出来了,稍后讲到这个结构体的时候就不会再贴

了.

等待，只因曾经承诺

这一节我们讲队列.

从前在乡下的时候是不用排队的,村里的人们都很谦让,而且人本来又不多.后来到了县城里,县城

里不大,大家去走亲戚去串门去逛街不用坐车不用排队,除了街上的游戏厅人多一点以外,别的地

方人都不是很多,陪妈妈去菜市场买菜也不用排队.后来到了上海,发现去食堂吃饭要排队,开学报

道要排队,在人民广场等回复旦的 123 路公共汽车要排队,考试成绩不好去教务处交重修费要排

队,甚至连追求一个女孩子也要排队.每次看见人群排成一条长龙时,才真正意识到自己是龙的传

人.

随着子进程进入了我们的视野,我们来看其入口函数,hub_thread().这是一个令你大跌隐形眼

镜的函数.

2817 static int hub_thread(void *__unused)

2818 {

2819 do {

2820 hub_events();

2821 wait_event_interruptible(khubd_wait,

2822 !list_empty(&hub_event_list) ||

2823 kthread_should_stop());

2824 try_to_freeze();

2825 } while (!kthread_should_stop()

|| !list_empty(&hub_event_list));

2826

2827 pr_debug("%s: khubd exiting\n", usbcore_name);

2828 return 0;

2829 }

这就是 hub驱动中最精华的代码.这几乎是一个死循环,但是关于 hub的所有故事都发生在这里,

没错,就在这短短几行代码中.

而这其中,最核心的函数自然是 hub_events().我们先不看 hub_events,先把外面这几个函数

看明白了,kthread_should_stop()的意思很明显,就是字面意思,是不是该停掉,如果是,那么这

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