Linux 下wifi 驱动开发（四）—— USB接口WiFi驱动浅析

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前面学习了SDIO接口的WiFi驱动，现在我们来学习一下USB接口的WiFi驱动，二者的区别在于接口不同。而USB接口的设备驱动，我们前面也有学习，比如USB摄像头驱动、USB鼠标驱动，同样都符合LinuxUSB驱动结构：

        USB设备驱动（字符设备、块设备、网络设备）

                                               |

                                        USB 核心

                                               |

                              USB主机控制器驱动

        不同之处只是在于USB摄像头驱动是字符设备，而我们今天要学习的WiFi驱动是网络设备；当然由我们编写的部分还是USB设备驱动部分，下面进入USB接口WiFi驱动的分析，如何分析呢？我们下面从这几个方面入手：

        从硬件层面上看，WIFI设备与CPU通信是通过USB接口的，与其他WIFI设备之间的通信是通过无线射频（RF）。

        从软件层面上看，Linux操作系统要管理WIFI设备，那么就要将WIFI设备挂载到USB总线上，通过USB子系统实现管理。而同时为了对接网络，又将WIFI设备封装成一个网络设备。

        我们以USB接口的WIFI模块进行分析：

a -- 从USB总线的角度去看，它是USB设备；

b -- 从Linux设备的分类上看，它又是网络设备；

c -- 从WIFI本身的角度去看，它又有自己独特的功能及属性，因此它又是一个私有的设备；

通过上述的分析，我们只要抓住这三条线索深入去分析它的驱动源码，整个WIFI驱动框架就会浮现在你眼前。

一、框架整理

1、USB设备驱动

      现在我们先从USB设备开始，要写一个USB设备驱动，那么大致步骤如下：

a -- 需要针对该设备定义一个USB驱动，对应到代码中即定义一个usb_driver结构体变量

代码如下：

[cpp] view plain copy

 

1. struct usb_driver xxx_usb_wifi_driver;  

b -- 填充该设备的usb_driver结构体成员变量

代码如下：

[cpp] view plain copy

 

1. static struct usb_driver xxx_usb_wifi_driver = {  
2.     .name = "XXX_USB_WIFI",  
3.     .probe = xxx_probe,  
4.     .disconnect = xxx_disconnect,  
5.     .suspend = xxx_suspend,  
6.     .resume = xxx_resume,  
7.     .id_table = xxx_table,  
8. };  

c -- 将该驱动注册到USB子系统

代码如下：

[cpp] view plain copy

 

1. usb_register(&xxx_usb_wifi_driver);  

      以上步骤只是一个大致的USB驱动框架流程，而最大和最复杂的工作是填充usb_driver结构体成员变量。以上步骤的主要工作是将USB接口的WIFI设备挂载到USB总线上，以便Linux系统在USB总线上就能够找到该设备。

2、网络设备驱动

      接下来是网络设备的线索，网络设备驱动大致步骤如下：

a -- 定义一个net_device结构体变量ndev

代码如下：

[cpp] view plain copy

 

1. struct net_device *ndev;  

b -- 初始化ndev变量并分配内存

代码如下：

[cpp] view plain copy

 

1. ndev=alloc_etherdev();  

c -- 填充ndev -> netdev_ops结构体成员变量

代码如下：

[cpp] view plain copy

 

1. static const struct net_device_ops xxx_netdev_ops= {  
2.     .ndo_init = xxx_ndev_init,  
3.     .ndo_uninit = xxx _ndev_uninit,  
4.     .ndo_open = netdev_open,  
5.     .ndo_stop = netdev_close,  
6.     .ndo_start_xmit = xxx_xmit_entry,  
7.     .ndo_set_mac_address = xxx_net_set_mac_address,  
8.     .ndo_get_stats = xxx_net_get_stats,  
9.     .ndo_do_ioctl = xxx_ioctl,  
10. };  

d -- 填充ndev->wireless_handlers结构体成员变量，该变量是无线扩展功能

代码如下：

[cpp] view plain copy

 

1. ndev->wireless_handlers = (struct iw_handler_def *)&xxx_handlers_def;  

e -- 将ndev设备注册到网络子系统

代码如下：

[cpp] view plain copy

 

1. register_netdev(ndev);  

3、 WIFI设备本身私有的功能及属性

      如自身的配置及初始化、建立与用户空间的交互接口、自身功能的实现等。

a -- 自身的配置及初始化

代码如下：                

[cpp] view plain copy

 

1. xxx_read_chip_info();  
2.   
3. xxx_chip_configure();  
4.   
5. xxx_hal_init();  

b -- 主要是在proc和sys文件系统上建立与用户空间的交互接口

代码如下：

[cpp] view plain copy

 

1. xxx_drv_proc_init();  
2.   
3. xxx_ndev_notifier_register();  

c -- 自身功能的实现

      WIFI的网络及接入原理，如扫描等。同时由于WIFI在移动设备中，相对功耗比较大，因此，对于功耗、电源管理也会在驱动中体现。

二、USB 设备驱动分析

        在分析之前，我们需要理解在整个wifi模块中，USB充当什么角色？它的作用是什么？实质上wifi模块上的数据传输有两端，一端是wifi芯片与wifi芯片之间，通过无线射频（RF）进行数据传输；另一端则是wifi芯片与CPU之间，通过USB进行数据传输。

       了解Linux的USB驱动的读者都知道，USB驱动分为两种：一种是USB主机驱动；另一种是USB设备驱动。而我们的USB接口的wifi模块对于CPU（主机）来说，属于USB设备，因此采用USB设备驱动。

       有了以上信息之后，我们先让Linux系统识别该USB接口的wifi模块，首先我们在驱动源码中大致添加以下几步工作(前面分析过，这里只看步骤，不看代码)：

a -- 定义一个usb_driver结构体变量

b -- 填充该设备的usb_driver结构体成员变量

c -- 将该驱动注册到USB子系统

      简单完成以上几步工作，再加上板级文件（arch/mach-xxx.c）对USB设备的支持，Linux的USB子系统几乎可以挂载该wifi模块为USB设备了。但是这并不是我们最终想要的结果。我们还要让Linux系统知道它挂载的USB设备属于无线网络设备，同时能够访问它，利用它实施无线网络的工作。

     我们都知道，若要让USB设备真正工作起来，需要对USB设备的4个层次（设备、配置、接口、端点）进行初始化。当然这四个层次并不是一定都要进行初始化，而是根据你的USB设备的功能进行选择的，大致初始化流程如下伪代码：

[cpp] view plain copy

 

1. static struct dvobj_priv *usb_dvobj_init(struct usb_interface *usb_intf)  
2. {  
3.     int    i;  
4.     u8     val8;  
5.     int    status= _FAIL;  
6.     struct dvobj_priv *pdvobjpriv;  
7.   
8.     //设备  
9.     struct usb_device *pusbd;  
10.     struct usb_device_descriptor *pdev_desc;  
11.   
12.     //配置  
13.     struct usb_host_config *phost_conf;  
14.     struct usb_config_descriptor *pconf_desc;  
15.   
16.     //接口  
17.     struct usb_host_interface *phost_iface;  
18.     struct usb_interface_descriptor *piface_desc;  
19.       
20.     //端点  
21.     struct usb_host_endpoint *phost_endp;  
22.     struct usb_endpoint_descriptor *pendp_desc;  
23.   
24.   
25.     //设备的初始化  
26.     pdvobjpriv->pusbintf = usb_intf ;  
27.     pusbd =pdvobjpriv->pusbdev = interface_to_usbdev(usb_intf);  
28.     usb_set_intfdata(usb_intf, pdvobjpriv);  
29.     pdev_desc =&pusbd->descriptor;  
30.   
31.       
32.     //配置的初始化  
33.     phost_conf =pusbd->actconfig;  
34.     pconf_desc =&phost_conf->desc;  
35.   
36.    
37.     //接口的初始化  
38.     phost_iface =&usb_intf->altsetting[0];  
39.     piface_desc =&phost_iface->desc;  
40.   
41.       
42.     //端点的初始化，由于wifi模块属于网络设备，传输批量数据，因此需要初始化为批量端点，端点方向（输入、输出）等。同时，由于wifi驱动功能比较多，需要初始化几个输入输出端点。  
43.     for (i = 0; i <pdvobjpriv->nr_endpoint; i++)  
44.     {  
45.         phost_endp = phost_iface->endpoint +i;  
46.         if (phost_endp)  
47.         {  
48.             pendp_desc =&phost_endp->desc;  
49.   
50.             //检查是否为输入端点  
51.             usb_endpoint_is_bulk_in(pendp_desc);  
52.   
53.             //检查是否为输出端点  
54.             usb_endpoint_is_bulk_out(pendp_desc);  
55.         }  
56.   
57.     }  
58.   
59.     usb_get_dev(pusbd);  
60.   
61. }  

      完成以上的初始化工作之后，接下来我们需要理清一下USB接口的作用，它是wifi芯片内部的固件程序与主机上的Linux系统进行数据通信。USB设备通信不像普通字符设备那样采用I/O内存和I/O端口的访问，而是采用一种称为URB（USB Request Block）的USB请求块，URB在整个USB子系统中，相当于通电设备中的“电波”，USB主机与设备的通信，通过“电波”来传递。下面我们就来编写USB接口的读写操作函数，伪代码如下：

[cpp] view plain copy

 

1. void xxx_wifi_usb_intf_ops(struct _io_ops     *pops)  
2. {  
3.     //当需要进行简单数据的读取时，采用以下操作  
4.     pops->_read8 = &usb_read8;  
5.     pops->_read16 = &usb_read16;  
6.     pops->_read32 = &usb_read32;  
7.   
8.     //当需要进行批量数据的读取时，采用以下操作  
9.     pops->_read_port = &usb_read_port;     
10.   
11.     //当需要进行简单数据的写时，采用以下操作  
12.     pops->_write8 = &usb_write8;  
13.     pops->_write16 = &usb_write16;  
14.     pops->_write32 = &usb_write32;  
15.     pops->_writeN = &usb_writeN;  
16.   
17.     //当需要进行批量数据的写时，采用以下操作  
18.     pops->_write_port = &usb_write_port;  
19.   
20.     //取消读写urb  
21.     pops->_read_port_cancel = &usb_read_port_cancel;  
22.     pops->_write_port_cancel = &usb_write_port_cancel;  
23.   
24. }  

         在进行批量数据的读写时，如usb_read_port()和usb_write_port()函数，需要完成urb创建、初始化、提交、完成处理这个完整的流程。伪代码如下：

1）批量读操作

[cpp] view plain copy

 

1. static u32 usb_read_port(struct intf_hdl *pintfhdl, u32 addr, u32 cnt, u8 *rmem)  
2. {         
3.     int err;  
4.     unsigned intpipe;  
5.     PURB purb =NULL;  
6.     structrecv_buf         *precvbuf = (structrecv_buf *)rmem;  
7.     structusb_device    *pusbd = pdvobj->pusbdev;  
8.   
9.     //创建urb，这里是在其它地方创建完成之后，传递过来  
10.     purb =precvbuf->purb;  
11.   
12.     //初始化批量urb  
13.     usb_fill_bulk_urb(purb, pusbd, pipe,  
14.         precvbuf->pbuf,  
15.         MAX_RECVBUF_SZ,  
16.         usb_read_port_complete,  
17.         precvbuf);//contextis precvbuf  
18.       
19.     //提交urb  
20.     err =usb_submit_urb(purb, GFP_ATOMIC);  
21.   
22. }  

2）批量写操作

[cpp] view plain copy

 

1. u32 usb_write_port(struct intf_hdl *pintfhdl, u32 addr, u32 cnt, u8 *wmem)  
2. {     
3.     unsigned int pipe;  
4.     intstatus;  
5.     PURB        purb = NULL;  
6.   
7.     structxmit_priv       *pxmitpriv =&padapter->xmitpriv;  
8.     structxmit_buf *pxmitbuf = (struct xmit_buf *)wmem;  
9.     structxmit_frame *pxmitframe = (struct xmit_frame *)pxmitbuf->priv_data;  
10.     structusb_device *pusbd = pdvobj->pusbdev;  
11.     structpkt_attrib *pattrib = &pxmitframe->attrib;  
12.   
13.     //创建urb，这里是在其它地方创建完成之后，传递过来  
14.      purb = pxmitbuf->pxmit_urb[0];  
15.   
16.     //初始化批量urb  
17.     usb_fill_bulk_urb(purb, pusbd, pipe,  
18.         pxmitframe->buf_addr,//= pxmitbuf->pbuf  
19.         cnt,  
20.         usb_write_port_complete,  
21.         pxmitbuf);//contextis pxmitbuf  
22.   
23.     //提交urb  
24.     status = usb_submit_urb(purb,GFP_ATOMIC);  
25.   
26.     return ret;  
27.   
28. }  

        完成以上批量数据的读写操作之后，大家可能会疑问：这不是一般USB设备驱动的操作流程吗？貌似和wifi没有半毛钱的关系啊！从上面看，确实和wifi没有任何联系，但是以上只是一个铺垫。我们一直强调USB接口在wifi模块中充当什么角色，既然是接口，那么它就是为数据传输而生。所以，和wifi扯上关系的就在于usb_read_port()和usb_write_port()这两个函数。

三、读写函数分析

       USB接口在wifi模块中的最重要两个函数是usb_read_port()和usb_write_port()。那它们是怎么和wifi扯上关系的呢？我们可以从以下三个方面去分析：

a -- 首先需要明确wifi模块是USB设备，主控（CPU）端是USB主机；

b -- USB主机若需要对wifi模块进行数据的读写时，就必须经过USB接口；

c -- 既然涉及到数据的读写操作，必然要用相应的读写函数，那么usb_read_port()和usb_write_port()即是它们的读写函数。

       我们先从读数据开始进行分析，在分析之前，我们必须了解USB设备驱动的读数据过程。USB读取数据操作流程如下：

a -- 通过usb_alloc_urb()函数创建并分配一个URB，作为传输USB数据的载体；

b -- 创建并分配DMA缓冲区，以DMA方式快速传输数据；

c -- 初始化URB，根据wifi的传输数据量，我们需要初始化为批量URB，相应操作函数为usb_fill_bulk_urb()；

d -- 将URB提交到USB核心；

e -- 提交成功后，URB的完成函数将被USB核心调用。

        我们知道只有当wifi模块有数据可读时，主控端才能成功地读取数据。那么wifi模块什么时候有数据可读呢？——下面重点来了！wifi模块通过RF端接收到无线网络数据，然后缓存到wifi芯片的RAM中，此时，wifi模块就有数据可读了。

       经过上面的分析，我们找到了一条USB接口与wifi模块扯上关系的线索，就是wifi模块的接收数据，会引发USB接口的读数据；

      现在，我们转到wifi模块的接收函数中，看看是不是真的这样?

      在wifi接收函数初始化中，我们可以看到usb_alloc_urb()创建一个中断URB。伪代码如下：

[cpp] view plain copy

 

1. int xxxwifi_init_recv(_adapter *padapter)    
2. {    
3.     struct recv_priv *precvpriv = &padapter->recvpriv;    
4.     int i, res = _SUCCESS;    
5.     struct recv_buf *precvbuf;    
6.     
7.     tasklet_init(&precvpriv->recv_tasklet, (void(*)(unsigned long))rtl8188eu_recv_tasklet, (unsigned long)padapter);    
8.     
9.     precvpriv->int_in_urb = usb_alloc_urb(0, GFP_KERNEL); //创建一个中断URB    
10.     
11.     precvpriv->int_in_buf = rtw_zmalloc(INTERRUPT_MSG_FORMAT_LEN);    
12.     //init recv_buf    
13.     _rtw_init_queue(&precvpriv->free_recv_buf_queue);    
14.     _rtw_init_queue(&precvpriv->recv_buf_pending_queue);    
15.     
16.     precvpriv -> pallocated_recv_buf = rtw_zmalloc(NR_RECVBUFF *sizeof(struct recv_buf) + 4);    
17.     precvbuf = (struct recv_buf*)precvpriv->precv_buf;    
18.     
19.     for(i=0; i < NR_RECVBUFF ; i++)    
20.     {    
21.         _rtw_init_listhead(&precvbuf->list);    
22.         _rtw_spinlock_init(&precvbuf->recvbuf_lock);    
23.         precvbuf->alloc_sz = MAX_RECVBUF_SZ;    
24.     
25.         res = rtw_os_recvbuf_resource_alloc(padapter, precvbuf);    
26.     
27.         precvbuf->ref_cnt = 0;    
28.         precvbuf->adapter =padapter;    
29.         precvbuf++;    
30.     }    
31.     precvpriv->free_recv_buf_queue_cnt = NR_RECVBUFF;    
32.     
33.     skb_queue_head_init(&precvpriv->rx_skb_queue);    
34.     
35. #ifdef CONFIG_PREALLOC_RECV_SKB    
36.     {    
37.         int i;    
38.         SIZE_PTR tmpaddr=0;    
39.         SIZE_PTR alignment=0;    
40.         struct sk_buff *pskb=NULL;    
41.         skb_queue_head_init(&precvpriv->free_recv_skb_queue);    
42.         for(i=0; i<NR_PREALLOC_RECV_SKB; i++)    
43.         {    
44.             pskb = rtw_skb_alloc(MAX_RECVBUF_SZ + RECVBUFF_ALIGN_SZ);    
45.             if(pskb)    
46.             {    
47.                 pskb->dev = padapter->pnetdev;    
48.                 tmpaddr = (SIZE_PTR)pskb->data;    
49.                 alignment = tmpaddr & (RECVBUFF_ALIGN_SZ-1);    
50.                 skb_reserve(pskb, (RECVBUFF_ALIGN_SZ - alignment));    
51.                 skb_queue_tail(&precvpriv->free_recv_skb_queue, pskb);    
52.             }    
53.             pskb=NULL;    
54.         }    
55.     }    
56. #endif    
57.     return res;    
58. }    

 在rtw_os_recvbuf_resource_alloc函数中，创建一个批量URB和一个DMA缓冲区。伪代码如下：

[cpp] view plain copy

 

1. int rtw_os_recvbuf_resource_alloc(_adapter *padapter, struct recv_buf *precvbuf)    
2. {    
3.     int res=_SUCCESS;    
4.     struct dvobj_priv   *pdvobjpriv = adapter_to_dvobj(padapter);    
5.     struct usb_device   *pusbd = pdvobjpriv->pusbdev;    
6.     
7.     precvbuf->irp_pending = _FALSE;    
8.     precvbuf->purb = usb_alloc_urb(0, GFP_KERNEL); //创建一个批量URB    
9.     
10.     precvbuf->pskb = NULL;    
11.     precvbuf->reuse = _FALSE;    
12.     precvbuf->pallocated_buf  = precvbuf->pbuf = NULL;    
13.     precvbuf->pdata = precvbuf->phead = precvbuf->ptail = precvbuf->pend = NULL;    
14.     precvbuf->transfer_len = 0;    
15.     precvbuf->len = 0;    
16.     
17.     #ifdef CONFIG_USE_USB_BUFFER_ALLOC_RX    
18.     precvbuf->pallocated_buf = rtw_usb_buffer_alloc(pusbd, (size_t)precvbuf->alloc_sz, &precvbuf->dma_transfer_addr);  //创建一个DMA缓冲区    
19.     precvbuf->pbuf = precvbuf->pallocated_buf;    
20.     if(precvbuf->pallocated_buf == NULL)    
21.         return _FAIL;    
22.     #endif //CONFIG_USE_USB_BUFFER_ALLOC_RX    
23.         
24.     return res;    
25. }    

      在usb_read_port()函数中，通过usb_fill_bulk_urb()初始化批量URB，并且提交给USB核心，也即USB读取数据操作流程的第3、4步。在usb_fill_bulk_urb()函数中，初始化URB的完成函数usb_read_port_complete()，只有当URB提交完成后，函数usb_read_port_complete()将被调用。伪代码如下：

[cpp] view plain copy

 

1. static u32 usb_read_port(struct intf_hdl *pintfhdl, u32 addr, u32 cnt, u8 *rmem)    
2. {       
3.     struct recv_buf *precvbuf = (struct recv_buf *)rmem;    
4.     _adapter        *adapter = pintfhdl->padapter;    
5.     struct dvobj_priv   *pdvobj = adapter_to_dvobj(adapter);    
6.     struct pwrctrl_priv *pwrctl = dvobj_to_pwrctl(pdvobj);    
7.     struct recv_priv    *precvpriv = &adapter->recvpriv;    
8.     struct usb_device   *pusbd = pdvobj->pusbdev;    
9.     
10.     rtl8188eu_init_recvbuf(adapter, precvbuf);          
11.     
12.     precvpriv->rx_pending_cnt++;    
13.     
14.     purb = precvbuf->purb;    
15.     
16.     //translate DMA FIFO addr to pipehandle    
17.     pipe = ffaddr2pipehdl(pdvobj, addr);    
18.     
19.     usb_fill_bulk_urb(purb, pusbd, pipe,     
20.                     precvbuf->pbuf,    
21.                             MAX_RECVBUF_SZ,    
22.                             usb_read_port_complete,    
23.                             precvbuf);//context is precvbuf    
24.     
25.     err = usb_submit_urb(purb, GFP_ATOMIC);    
26.     
27.     return ret;    
28. }    

< 未完待续.....>

Linux 下wifi 驱动开发（四）—— USB接口WiFi驱动浅析

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