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USB 设备开发:从入门到实践指南(三)
2024-03-04 16:15:03

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JOYCONRJOYCONL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

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idVendoridProductSwitch 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_paramsinput_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10(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。

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;

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.cjoydev_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。

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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