8.1 USB转串口驱动情境分析

USB转串口测试过程请阅读此文档：USB转串口测试流程

usb协议栈的初始化

把usb协议栈编译进内核空间。编译的命令是make A=apps/usb-hid ...，在usb-hid程序的配置文件Cargo.toml命令里指定了要依赖driver_usb，这样就决定了会把USB协议栈driver_usb编译进内核空间。

初始化XHCI控制器。在usb-hid的main函数会执行USBSystem::new().init()，这样就会进一步调用USBHostSystem::init()初始化XHCI控制器。执行流程如下：

#![allow(unused)]
fn main() {
// host/data_structures/host_controllers/xhci/mod.rs
fn init(&mut self) -> &mut Self {
    // 1. 硬件重置XHCI控制器
    self.chip_hardware_reset()
    // 2. 设置设备槽数量与内存映射
    .set_max_device_slots()
    .set_dcbaap()  // 设置设备上下文基地址
    // 3. 配置命令环与事件环
    .set_cmd_ring()
    .init_ir()      // 初始化中断
    // 4. 分配 scratchpad 缓冲区
    .setup_scratchpads()
    // 5. 启动控制器
    .start()
    .test_cmd()     // 测试命令环
    .reset_ports(); // 重置所有USB端口
    self
}
}

XHCI控制器检测USB设备的接入。使用probe()方法扫描所有USB端口，检测物理连接的设备。执行流程如下：

#![allow(unused)]
fn main() {
// host/data_structures/host_controllers/xhci/mod.rs
fn probe(&mut self) -> Vec<usize> {
    let mut founded = Vec::new();
    let port_len = self.regs.port_register_set.len();
    // 1. 检查所有端口的连接状态
    for i in 0..port_len {
        let portsc = self.regs.port_register_set.read_volatile_at(i).portsc;
        if portsc.current_connect_status() {
            founded.push(i);
        }
    }
    // 2. 为每个连接的设备分配slot ID并初始化
    for port_idx in founded {
        let slot_id = self.device_slot_assignment();       // 分配slot ID
        self.dev_ctx.new_slot(slot_id as usize, 0, port_idx + 1, 32);
        self.address_device(slot_id, port_idx + 1);       // 分配设备地址
        self.set_ep0_packet_size(slot_id, self.control_fetch_control_point_packet_size(slot_id));
        founded.push(slot_id);
    }
    founded
}
}

获取USB设备的设备描述符。

#![allow(unused)]
fn main() {
// host/data_structures/host_controllers/xhci/mod.rs
fn control_fetch_control_point_packet_size(&mut self, slot_id: usize) -> u8 {
    // 发送GET_DESCRIPTOR请求获取设备描述符
    let mut buffer = DMA::new_vec(0u8, 8, 64, self.config.lock().os.dma_alloc());
    self.control_transfer(
        slot_id,
        ControlTransfer {
            request_type: bmRequestType::new(
                Direction::In,
                DataTransferType::Standard,
                Recipient::Device,
            ),
            request: bRequest::GetDescriptor,
            value: DescriptorType::Device.forLowBit(0).bits(),
            data: Some((buffer.addr() as usize, buffer.length_for_bytes())),
        },
    ).unwrap();
    // 解析描述符获取最大包大小
    let data = buffer.to_vec();
    data.last().copied().unwrap_or(8)
}
}

USB驱动的匹配。在usb-hid的main函数会执行USBSystem::new().init()，这样也会进一步调用USBDriverSystem::init()注册所有的USB驱动模块。例如CdcSerialDriverModule的should_active()方法，其主要功能是判断是否应该激活 CDC（通用串行总线控制设备类）串口驱动。具体步骤如下：
1. 设备描述符检查：检查传入的独立设备实例的描述符是否已初始化。
2. 设备类、厂商 ID 和产品 ID 检查：如果描述符已初始化，获取设备的类、厂商 ID 和产品 ID，判断是否为特定的厂商和产品（厂商 ID 为 0x1a86，产品 ID 为 0x7523，对应沁恒电子的 CH340 串口转换器）。
3. 端点信息收集：若匹配成功，收集设备的端点信息。
4. 驱动初始化：使用收集到的信息初始化 CdcSerialDriver 实例，并将其封装在 Option<Vec<Arc<SpinNoIrq<dyn USBSystemDriverModuleInstance<'a, O>>>> 中返回。
5. 不匹配处理：若不匹配，则返回 None。
驱动实例的创建。匹配成功后创建驱动实例，调用new_and_init方法初始化设备功能。例如CdcSerialDriver的new_and_init方法，其具体的初始化过程如下：
1. 为读缓冲区分配空间。
2. 查找输入端点和输出端点。
3. 创建写缓冲区并对其进行初始化。
4. 创建控制缓冲区和状态缓冲区。
5. 创建CdcSerialDriver实例。
驱动实例初始化设备。在usb-hid的main函数会执行USBSystem::new().init().init_probe()，驱动实例最终就可以调用prepare_for_drive方法通过 URB 请求配置设备接口、端点等。例如CdcSerialDriver的prepare_for_drive方法，其具体的初始化过程如下：
1. 初始化一个空向量todo_list以保存URB。
2. 设置配置描述符。
3. 厂商自定义配置流程。这些代码创建了多个控制传输的URB，包括输出和输入操作，涉及不同的命令（如CH341_CMD_C3, CH341_CMD_C1, CH341_CMD_W, CH341_CMD_R等）、索引和值，这些操作参考了Linux源码里的drivers/usb/serial/ch341.h中的ch341_configure函数以及wireshark抓包数据。
4. 配置115200波特率。创建了一系列控制传输的URB，用于将设备的波特率配置为115200。
5. 返回配置所需的URB列表。将todo_list封装在some中返回。

通过事件系统通知初始化完成。驱动初始化完成后通过事件总线通知上层系统：

#![allow(unused)]
fn main() {
// usb系统主循环
pub fn drive_all(mut self) -> Self {
    loop {
        let tick = self.usb_driver_layer.tick();  // 收集URB请求
        if tick.len() != 0 {
            self.host_driver_layer.tock(tick);  // 处理URB并获取UCB
        }
    }
}
}

用户向串口发送数据

用户把数据写入发送缓冲区。用户需要调用CdcSerialDriver的write方法，把数据写入发送缓冲区。当前的测试流程，是在CdcSerialDriver的new_and_init方法里，把hello,world硬写入发送缓冲区。

生成URB并发送。gather_urb方法会检查write_data_bnuffer队列，若队列中有数据，就生成用于批量传输的URB并发送。

#![allow(unused)]
fn main() {
    fn gather_urb(&mut self) -> Option<Vec<crate::usb::urb::URB<'a, O>>> {
        // 总的逻辑是遍历写入数据缓冲区，如果有数据就发送，如果没有数据就接收
        let mut todo_list = Vec::new();

        if self.write_data_buffer.len() > 0 {
            // 如果写入数据缓冲区有数据，就发送数据
            let write_buffer = if let Some(buffer) = self.write_data_buffer.front() {
                buffer
            } else {
                panic!("write_data_buffer is empty, but write_data_buffer.len() > 0");
            };

            todo_list.push(URB::new(
                self.device_slot_id,
                RequestedOperation::Bulk(BulkTransfer {
                    endpoint_id: self.out_endpoint as usize,
                    buffer_addr_len: write_buffer.lock().addr_len_tuple(),
                }),
            ));
            self.driver_state_machine = StateMachine::Writing;
            Some(todo_list)
        } else {
            // ... 接收数据逻辑 ...
        }
    }
}

USB转串口转换器转换并发送数据。USB 转串口驱动把 URB 封装成符合 USB 协议的数据包，经 USB 总线传给 USB 转串口转换器。转换器解析数据包，将数据转为串口信号（如 UART 信号），再通过串口引脚发送出去。

串口数据传给用户

USB 转串口转换器接收并转换信号。USB 转串口转换器检测到串口引脚的信号变化，按串口协议解码信号，提取原始数据，接着封装成 USB 数据包，通过 USB 总线传给计算机。

生成URB并发送。gather_urb方法生成用于接收数据的URB。

#![allow(unused)]
fn main() {
    fn gather_urb(&mut self) -> Option<Vec<crate::usb::urb::URB<'a, O>>> {
        // ... 发送数据逻辑 ...

        } else {
            // 如果写入数据缓冲区没有数据，就接收数据
            todo_list.push(URB::new(
                self.device_slot_id,
                RequestedOperation::Bulk(BulkTransfer {
                    endpoint_id: self.in_endpoint as usize,
                    buffer_addr_len: self.read_data_buffer.as_ref().unwrap().lock().addr_len_tuple(),
                }),
            ));
            self.driver_state_machine = StateMachine::Reading;
            Some(todo_list)
        }
    }
}

处理接收完成事件。USB 转串口驱动收到数据后，触发接收完成事件，调用 CdcSerialDriver 的 receive_complete_event 方法。该方法把接收到的数据存储在accepted_date中。
用户应用程序接收数据。如果是进行测试，可以在Arceos的日志中看到accepted data: xxx，其中xxx为串口接收到的数据，这表明串口数据接收成功。如果用户需要串口数据，则应用程序应从accepted_data读取数据。

飞腾派驱动开发实验指导书

8.1 USB转串口驱动情境分析

usb协议栈的初始化

用户向串口发送数据

串口数据传给用户