USB 设备开发：从入门到实践指南（三）

2024-03-19 1,038 0

作者：Hcamael@知道创宇404实验室
原文链接：https://paper.seebug.org/3124/

经过上一篇文章的学习，对USB HID驱动有了更多的了解，但是也产生了许多疑问，在后续的学习中解决了一些疑问，本篇文章先对已经解决的问题进行讲解。

1 Nintendo手柄驱动

在上一篇文章中，提到过一个问题：Switch原装手柄没有USB接口，为什么在nintendo中还要进行一些列处理？

在后续的研究中发现了这个问题的答案：首先查看hid-nintendo.c驱动代码中nintendo_hid_devices结构体的定义，如下所示：

static const struct hid_device_id nintendo_hid_devices[] = {
	{ HID_USB_DEVICE(USB_VENDOR_ID_NINTENDO,
			 USB_DEVICE_ID_NINTENDO_PROCON) },
	{ HID_BLUETOOTH_DEVICE(USB_VENDOR_ID_NINTENDO,
			 USB_DEVICE_ID_NINTENDO_PROCON) },
	{ HID_USB_DEVICE(USB_VENDOR_ID_NINTENDO,
			 USB_DEVICE_ID_NINTENDO_CHRGGRIP) },
	{ HID_BLUETOOTH_DEVICE(USB_VENDOR_ID_NINTENDO,
			 USB_DEVICE_ID_NINTENDO_JOYCONL) },
	{ HID_BLUETOOTH_DEVICE(USB_VENDOR_ID_NINTENDO,
			 USB_DEVICE_ID_NINTENDO_JOYCONR) },
	{ }
};

仔细查看该结构体可以发现，对于Switch原装的左右手柄，使用的是HID_BLUETOOTH_DEVICE宏定义，表示匹配的是蓝牙HID协议，并不匹配USB HID协议。这样，该问题的答案就很明显了，hid-nintendo.c驱动适配了JOYCONR和JOYCONL手柄的蓝牙驱动。

第二个问题：为什么上一篇文章中模拟的Switch Pro手柄只创建了/dev/input/eventX却没有/dev/input/jsX？

关于该问题，我们就需要加深一点对内核input驱动的了解。

2 Linux内核INPUT子系统简述

因为暂时没有开发input相关驱动的打算，所以并不会深入讲解input驱动的各项细节，本章节的目标是让读者读完以后，在心中能对input驱动的运作模式有个大致的了解。

2.1 注册input event

用hid-nintendo.c驱动作为例子进行讲解，首先看nintendo_hid_probe函数，在上一篇文章中说过，当USB HID设备注册成功后，会在内核中匹配所有.id_tables，当匹配到idVendor和idProduct为Switch Pro手柄后，会调用nintendo_hid_probe函数。

接着就是进行一系列的初始化，还会和手柄进行一些通信，或者手柄的一些信息，这期间没出错的话就会调用到joycon_input_create函数，在该函数中通过input_set_abs_params，input_set_capability这类input驱动的函数，设置设备有哪些属性，比如有EV_KEY，就是表示该设备有按键，使用input_set_abs_params设置的就是坐标系，比如手柄的摇杆，鼠标的移动都需要使用该函数。

最后再调用input_register_device函数，如果没有意外，一个input事件就注册成功了，我们就可以通过/dev/input/eventX文件来进行通信，上一篇文章中提过，eventX文件的结构体如下所示：

struct input_event {
    struct timeval time;
    __u16 type;
    __u16 code;
    __s32 value;
};

如果我们按了手柄的一个按键，那么这个时候读取eventX进行解析，我们会发现type的值就是EV_KEY，而code的值表示的就是某个按键，value表示的就是1或0（按下或者释放）。

我们能获取到的值同样也可以在hid-nintendo.c驱动中看到实现的代码，可以查看nintendo_hid_event函数，该函数为当接收到数据后，会调用的函数。

在nintendo_hid_probe函数中，当成功注册完input事件后，会设置一个状态：ctlr->ctlr_state = JOYCON_CTLR_STATE_READ;

在nintendo_hid_event->joycon_ctlr_handle_event函数会判断ctlr->ctlr_state的值如果等于JOYCON_CTLR_STATE_READ时，会调用ret = joycon_ctlr_read_handler(ctlr, data, size);函数。

该函数就是处理手柄的输入（按键，摇杆）数据的主函数，接着通过input驱动的input_report_abs,input_report_key这类的函数对坐标的状态，按键的状态进行设置，最后调用input_sync函数，就会把设置好的手柄输入传送到/dev/input/eventX文件中，我们通过eventX文件读取到的内容就是这么产生的。

从上面的内容可以知道，如果想要开发Linux下的Switch Pro手柄的客户端，只需要操作eventX文件，并且仔细阅读nintendo_hid_event函数，了解传输数据的数据结构就能实现。

2.2 注册手柄驱动

目前Linux下绝大部分手柄的客户端程序都是通过读取/dev/input/jsX文件获取手柄输入的数据，在上一篇Paper中，我们模拟的XBox手柄就能成功生成/dev/input/jsX驱动文件，但是Swtich Pro手柄却无法生成手柄驱动文件，这是为什么呢？

经过研究发现，控制生成手柄驱动的代码位于drivers/input/joydev.c文件中，对于驱动文件，首先关注的入口点同样是input_handler结构体，joydev.c驱动的input_handler结构体如下所示：

static struct input_handler joydev_handler = {
	.event		= joydev_event,
	.match		= joydev_match,
	.connect	= joydev_connect,
	.disconnect	= joydev_disconnect,
	.legacy_minors	= true,
	.minor		= JOYDEV_MINOR_BASE,
	.name		= "joydev",
	.id_table	= joydev_ids,
};

并且在joydev_connect函数中可以发现代码：dev_set_name(&joydev->dev, "js%d", dev_no);。

joydev.c驱动实现细节请自行阅读代码，下面来概括一下手柄驱动的大致流程：

1.跟其他驱动一样，当驱动被加载到内核当中后，会把.id_table加入到内核的id_table链表中。
2.当一个新的input event被注册成功，会对id_table进行遍历，匹配合适的驱动。
3.参见joydev.c的joydev_ids代码，如下所示：

static const struct input_device_id joydev_ids[] = {
	{
		.flags = INPUT_DEVICE_ID_MATCH_EVBIT |
				INPUT_DEVICE_ID_MATCH_ABSBIT,
		.evbit = { BIT_MASK(EV_ABS) },
		.absbit = { BIT_MASK(ABS_X) },
	},
	{
		.flags = INPUT_DEVICE_ID_MATCH_EVBIT |
				INPUT_DEVICE_ID_MATCH_ABSBIT,
		.evbit = { BIT_MASK(EV_ABS) },
		.absbit = { BIT_MASK(ABS_Z) },
	},
	{
		.flags = INPUT_DEVICE_ID_MATCH_EVBIT |
				INPUT_DEVICE_ID_MATCH_ABSBIT,
		.evbit = { BIT_MASK(EV_ABS) },
		.absbit = { BIT_MASK(ABS_WHEEL) },
	},
	{
		.flags = INPUT_DEVICE_ID_MATCH_EVBIT |
				INPUT_DEVICE_ID_MATCH_ABSBIT,
		.evbit = { BIT_MASK(EV_ABS) },
		.absbit = { BIT_MASK(ABS_THROTTLE) },
	},
	{
		.flags = INPUT_DEVICE_ID_MATCH_EVBIT |
				INPUT_DEVICE_ID_MATCH_KEYBIT,
		.evbit = { BIT_MASK(EV_KEY) },
		.keybit = {[BIT_WORD(BTN_JOYSTICK)] = BIT_MASK(BTN_JOYSTICK) },
	},
	{
		.flags = INPUT_DEVICE_ID_MATCH_EVBIT |
				INPUT_DEVICE_ID_MATCH_KEYBIT,
		.evbit = { BIT_MASK(EV_KEY) },
		.keybit = { [BIT_WORD(BTN_GAMEPAD)] = BIT_MASK(BTN_GAMEPAD) },
	},
	{
		.flags = INPUT_DEVICE_ID_MATCH_EVBIT |
				INPUT_DEVICE_ID_MATCH_KEYBIT,
		.evbit = { BIT_MASK(EV_KEY) },
		.keybit = { [BIT_WORD(BTN_TRIGGER_HAPPY)] = BIT_MASK(BTN_TRIGGER_HAPPY) },
	},
	{ }	/* Terminating entry */
};

从上面代码可以看出当input event设置了EV_ABS坐标系或者EV_KEY按键属性的时候，就能匹配到该驱动。

4.匹配到该驱动后，将会调用joydev_connect函数，经过一系列初始化，然后创建/dev/input/jsX驱动文件。
5.当一个新的event产生，将会调用joydev_event函数，首先查看该函数的定义，代码如下所示：

static void joydev_event(struct input_handle *handle,
			 unsigned int type, unsigned int code, int value)
{
	struct joydev *joydev = handle->private;
	struct joydev_client *client;
	struct js_event event;

	switch (type) {

	case EV_KEY:
		if (code < BTN_MISC || value == 2)
			return;
		event.type = JS_EVENT_BUTTON;
		event.number = joydev->keymap[code - BTN_MISC];
		event.value = value;
		break;

	case EV_ABS:
		event.type = JS_EVENT_AXIS;
		event.number = joydev->absmap[code];
		event.value = joydev_correct(value,
					&joydev->corr[event.number]);
		if (event.value == joydev->abs[event.number])
			return;
		joydev->abs[event.number] = event.value;
		break;

	default:
		return;
	}

	event.time = jiffies_to_msecs(jiffies);

	rcu_read_lock();
	list_for_each_entry_rcu(client, &joydev->client_list, node)
		joydev_pass_event(client, &event);
	rcu_read_unlock();

	wake_up_interruptible(&joydev->wait);
}

joydev_event的三个参数正好能和input_event结构体对应，接着将会根据input_event结构体的数据生成js_event结构体。

在上一篇文章中，讲述的读取/dev/input/jsX的数据，正好能和上面的代码对应上。

在了解了joydev.c驱动的加载流程后，也并没有解决我们之前提出的疑问：为什么Switch Pro手柄不能加载joydev驱动呢？

因为还有一个joydev_match函数，相关代码如下所示：

static bool joydev_match(struct input_handler *handler, struct input_dev *dev)
{
	/* Disable blacklisted devices */
	if (joydev_dev_is_blacklisted(dev))
		return false;

	/* Avoid absolute mice */
	if (joydev_dev_is_absolute_mouse(dev))
		return false;

	return true;
}

static bool joydev_dev_is_blacklisted(struct input_dev *dev)
{
	const struct input_device_id *id;

	for (id = joydev_blacklist; id->flags; id++) {
		if (input_match_device_id(dev, id)) {
			dev_dbg(&dev->dev,
				"joydev: blacklisting '%s'\n", dev->name);
			return true;
		}
	}

	return false;
}

static const struct input_device_id joydev_blacklist[] = {
	/* Avoid touchpads and touchscreens */
	{
		.flags = INPUT_DEVICE_ID_MATCH_EVBIT |
				INPUT_DEVICE_ID_MATCH_KEYBIT,
		.evbit = { BIT_MASK(EV_KEY) },
		.keybit = { [BIT_WORD(BTN_TOUCH)] = BIT_MASK(BTN_TOUCH) },
	},
	/* Avoid tablets, digitisers and similar devices */
	{
		.flags = INPUT_DEVICE_ID_MATCH_EVBIT |
				INPUT_DEVICE_ID_MATCH_KEYBIT,
		.evbit = { BIT_MASK(EV_KEY) },
		.keybit = { [BIT_WORD(BTN_DIGI)] = BIT_MASK(BTN_DIGI) },
	},
	/* Disable accelerometers on composite devices */
	ACCEL_DEV(USB_VENDOR_ID_SONY, USB_DEVICE_ID_SONY_PS3_CONTROLLER),
	ACCEL_DEV(USB_VENDOR_ID_SONY, USB_DEVICE_ID_SONY_PS4_CONTROLLER),
	ACCEL_DEV(USB_VENDOR_ID_SONY, USB_DEVICE_ID_SONY_PS4_CONTROLLER_2),
	ACCEL_DEV(USB_VENDOR_ID_SONY, USB_DEVICE_ID_SONY_PS4_CONTROLLER_DONGLE),
	ACCEL_DEV(USB_VENDOR_ID_THQ, USB_DEVICE_ID_THQ_PS3_UDRAW),
	ACCEL_DEV(USB_VENDOR_ID_NINTENDO, USB_DEVICE_ID_NINTENDO_PROCON),
	ACCEL_DEV(USB_VENDOR_ID_NINTENDO, USB_DEVICE_ID_NINTENDO_CHRGGRIP),
	ACCEL_DEV(USB_VENDOR_ID_NINTENDO, USB_DEVICE_ID_NINTENDO_JOYCONL),
	ACCEL_DEV(USB_VENDOR_ID_NINTENDO, USB_DEVICE_ID_NINTENDO_JOYCONR),
	{ /* sentinel */ }
};

从函数的名称中就能得知该函数的作用，再执行joydev_connect函数前会先运行joydev_match函数，match函数一般可以用来过滤或者对不同的设备进行不通的处理。

在joydev.c驱动的代码定义了一个黑名单列表，而match函数的作用是用来对这些黑名单中的设备进行过滤，Nintendo手柄就正好在这个黑名单中，不仅有Nintendo手柄，还是索尼的PS手柄也在黑名单中。

至于为什么Nintendo手柄会在Linux手柄驱动的黑名单中无从得知，只能从代码的注释中猜测一二：一般手柄会带有加速度传感器，用来玩一些支持体感类的游戏，比如健身环，可能Nintendo手柄的加速度传感器的功能在Linux驱动中还未实现，从joydev_event可以看出，Linux的手柄驱动仅支持坐标系和按键功能，所以把支持加速度传感器的手柄给禁用了。

3 总结

到本篇文章结束，关于USB游戏手柄部分的研究就结束了，接下来就是研究其他USB设备，经过了USB游戏手柄的一番折腾，对USB HID驱动还有input驱动都有了一定的了解，对后续的研究也能有非常大的助力。

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