Merge tag 'pstore-v4.12-rc3' of git://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/kees...
[sfrench/cifs-2.6.git] / Documentation / driver-api / usb / usb.rst
1 .. _usb-hostside-api:
2
3 ===========================
4 The Linux-USB Host Side API
5 ===========================
6
7 Introduction to USB on Linux
8 ============================
9
10 A Universal Serial Bus (USB) is used to connect a host, such as a PC or
11 workstation, to a number of peripheral devices. USB uses a tree
12 structure, with the host as the root (the system's master), hubs as
13 interior nodes, and peripherals as leaves (and slaves). Modern PCs
14 support several such trees of USB devices, usually
15 a few USB 3.0 (5 GBit/s) or USB 3.1 (10 GBit/s) and some legacy
16 USB 2.0 (480 MBit/s) busses just in case.
17
18 That master/slave asymmetry was designed-in for a number of reasons, one
19 being ease of use. It is not physically possible to mistake upstream and
20 downstream or it does not matter with a type C plug (or they are built into the
21 peripheral). Also, the host software doesn't need to deal with
22 distributed auto-configuration since the pre-designated master node
23 manages all that.
24
25 Kernel developers added USB support to Linux early in the 2.2 kernel
26 series and have been developing it further since then. Besides support
27 for each new generation of USB, various host controllers gained support,
28 new drivers for peripherals have been added and advanced features for latency
29 measurement and improved power management introduced.
30
31 Linux can run inside USB devices as well as on the hosts that control
32 the devices. But USB device drivers running inside those peripherals
33 don't do the same things as the ones running inside hosts, so they've
34 been given a different name: *gadget drivers*. This document does not
35 cover gadget drivers.
36
37 USB Host-Side API Model
38 =======================
39
40 Host-side drivers for USB devices talk to the "usbcore" APIs. There are
41 two. One is intended for *general-purpose* drivers (exposed through
42 driver frameworks), and the other is for drivers that are *part of the
43 core*. Such core drivers include the *hub* driver (which manages trees
44 of USB devices) and several different kinds of *host controller
45 drivers*, which control individual busses.
46
47 The device model seen by USB drivers is relatively complex.
48
49 -  USB supports four kinds of data transfers (control, bulk, interrupt,
50    and isochronous). Two of them (control and bulk) use bandwidth as
51    it's available, while the other two (interrupt and isochronous) are
52    scheduled to provide guaranteed bandwidth.
53
54 -  The device description model includes one or more "configurations"
55    per device, only one of which is active at a time. Devices are supposed
56    to be capable of operating at lower than their top
57    speeds and may provide a BOS descriptor showing the lowest speed they
58    remain fully operational at.
59
60 -  From USB 3.0 on configurations have one or more "functions", which
61    provide a common functionality and are grouped together for purposes
62    of power management.
63
64 -  Configurations or functions have one or more "interfaces", each of which may have
65    "alternate settings". Interfaces may be standardized by USB "Class"
66    specifications, or may be specific to a vendor or device.
67
68    USB device drivers actually bind to interfaces, not devices. Think of
69    them as "interface drivers", though you may not see many devices
70    where the distinction is important. *Most USB devices are simple,
71    with only one function, one configuration, one interface, and one alternate
72    setting.*
73
74 -  Interfaces have one or more "endpoints", each of which supports one
75    type and direction of data transfer such as "bulk out" or "interrupt
76    in". The entire configuration may have up to sixteen endpoints in
77    each direction, allocated as needed among all the interfaces.
78
79 -  Data transfer on USB is packetized; each endpoint has a maximum
80    packet size. Drivers must often be aware of conventions such as
81    flagging the end of bulk transfers using "short" (including zero
82    length) packets.
83
84 -  The Linux USB API supports synchronous calls for control and bulk
85    messages. It also supports asynchronous calls for all kinds of data
86    transfer, using request structures called "URBs" (USB Request
87    Blocks).
88
89 Accordingly, the USB Core API exposed to device drivers covers quite a
90 lot of territory. You'll probably need to consult the USB 3.0
91 specification, available online from www.usb.org at no cost, as well as
92 class or device specifications.
93
94 The only host-side drivers that actually touch hardware (reading/writing
95 registers, handling IRQs, and so on) are the HCDs. In theory, all HCDs
96 provide the same functionality through the same API. In practice, that's
97 becoming more true, but there are still differences
98 that crop up especially with fault handling on the less common controllers.
99 Different controllers don't
100 necessarily report the same aspects of failures, and recovery from
101 faults (including software-induced ones like unlinking an URB) isn't yet
102 fully consistent. Device driver authors should make a point of doing
103 disconnect testing (while the device is active) with each different host
104 controller driver, to make sure drivers don't have bugs of their own as
105 well as to make sure they aren't relying on some HCD-specific behavior.
106
107 .. _usb_chapter9:
108
109 USB-Standard Types
110 ==================
111
112 In ``<linux/usb/ch9.h>`` you will find the USB data types defined in
113 chapter 9 of the USB specification. These data types are used throughout
114 USB, and in APIs including this host side API, gadget APIs, usb character
115 devices and debugfs interfaces.
116
117 .. kernel-doc:: include/linux/usb/ch9.h
118    :internal:
119
120 .. _usb_header:
121
122 Host-Side Data Types and Macros
123 ===============================
124
125 The host side API exposes several layers to drivers, some of which are
126 more necessary than others. These support lifecycle models for host side
127 drivers and devices, and support passing buffers through usbcore to some
128 HCD that performs the I/O for the device driver.
129
130 .. kernel-doc:: include/linux/usb.h
131    :internal:
132
133 USB Core APIs
134 =============
135
136 There are two basic I/O models in the USB API. The most elemental one is
137 asynchronous: drivers submit requests in the form of an URB, and the
138 URB's completion callback handles the next step. All USB transfer types
139 support that model, although there are special cases for control URBs
140 (which always have setup and status stages, but may not have a data
141 stage) and isochronous URBs (which allow large packets and include
142 per-packet fault reports). Built on top of that is synchronous API
143 support, where a driver calls a routine that allocates one or more URBs,
144 submits them, and waits until they complete. There are synchronous
145 wrappers for single-buffer control and bulk transfers (which are awkward
146 to use in some driver disconnect scenarios), and for scatterlist based
147 streaming i/o (bulk or interrupt).
148
149 USB drivers need to provide buffers that can be used for DMA, although
150 they don't necessarily need to provide the DMA mapping themselves. There
151 are APIs to use used when allocating DMA buffers, which can prevent use
152 of bounce buffers on some systems. In some cases, drivers may be able to
153 rely on 64bit DMA to eliminate another kind of bounce buffer.
154
155 .. kernel-doc:: drivers/usb/core/urb.c
156    :export:
157
158 .. kernel-doc:: drivers/usb/core/message.c
159    :export:
160
161 .. kernel-doc:: drivers/usb/core/file.c
162    :export:
163
164 .. kernel-doc:: drivers/usb/core/driver.c
165    :export:
166
167 .. kernel-doc:: drivers/usb/core/usb.c
168    :export:
169
170 .. kernel-doc:: drivers/usb/core/hub.c
171    :export:
172
173 Host Controller APIs
174 ====================
175
176 These APIs are only for use by host controller drivers, most of which
177 implement standard register interfaces such as XHCI, EHCI, OHCI, or UHCI. UHCI
178 was one of the first interfaces, designed by Intel and also used by VIA;
179 it doesn't do much in hardware. OHCI was designed later, to have the
180 hardware do more work (bigger transfers, tracking protocol state, and so
181 on). EHCI was designed with USB 2.0; its design has features that
182 resemble OHCI (hardware does much more work) as well as UHCI (some parts
183 of ISO support, TD list processing). XHCI was designed with USB 3.0. It
184 continues to shift support for functionality into hardware.
185
186 There are host controllers other than the "big three", although most PCI
187 based controllers (and a few non-PCI based ones) use one of those
188 interfaces. Not all host controllers use DMA; some use PIO, and there is
189 also a simulator and a virtual host controller to pipe USB over the network.
190
191 The same basic APIs are available to drivers for all those controllers.
192 For historical reasons they are in two layers: :c:type:`struct
193 usb_bus <usb_bus>` is a rather thin layer that became available
194 in the 2.2 kernels, while :c:type:`struct usb_hcd <usb_hcd>`
195 is a more featureful layer
196 that lets HCDs share common code, to shrink driver size and
197 significantly reduce hcd-specific behaviors.
198
199 .. kernel-doc:: drivers/usb/core/hcd.c
200    :export:
201
202 .. kernel-doc:: drivers/usb/core/hcd-pci.c
203    :export:
204
205 .. kernel-doc:: drivers/usb/core/buffer.c
206    :internal:
207
208 The USB character device nodes
209 ==============================
210
211 This chapter presents the Linux character device nodes. You may prefer
212 to avoid writing new kernel code for your USB driver. User mode device
213 drivers are usually packaged as applications or libraries, and may use
214 character devices through some programming library that wraps it.
215 Such libraries include:
216
217  - `libusb <http://libusb.sourceforge.net>`__ for C/C++, and
218  - `jUSB <http://jUSB.sourceforge.net>`__ for Java.
219
220 Some old information about it can be seen at the "USB Device Filesystem"
221 section of the USB Guide. The latest copy of the USB Guide can be found
222 at http://www.linux-usb.org/
223
224 .. note::
225
226   - They were used to be implemented via *usbfs*, but this is not part of
227     the sysfs debug interface.
228
229    - This particular documentation is incomplete, especially with respect
230      to the asynchronous mode. As of kernel 2.5.66 the code and this
231      (new) documentation need to be cross-reviewed.
232
233 What files are in "devtmpfs"?
234 -----------------------------
235
236 Conventionally mounted at ``/dev/bus/usb/``, usbfs features include:
237
238 -  ``/dev/bus/usb/BBB/DDD`` ... magic files exposing the each device's
239    configuration descriptors, and supporting a series of ioctls for
240    making device requests, including I/O to devices. (Purely for access
241    by programs.)
242
243 Each bus is given a number (``BBB``) based on when it was enumerated; within
244 each bus, each device is given a similar number (``DDD``). Those ``BBB/DDD``
245 paths are not "stable" identifiers; expect them to change even if you
246 always leave the devices plugged in to the same hub port. *Don't even
247 think of saving these in application configuration files.* Stable
248 identifiers are available, for user mode applications that want to use
249 them. HID and networking devices expose these stable IDs, so that for
250 example you can be sure that you told the right UPS to power down its
251 second server. Pleast note that it doesn't (yet) expose those IDs.
252
253 /dev/bus/usb/BBB/DDD
254 --------------------
255
256 Use these files in one of these basic ways:
257
258 - *They can be read,* producing first the device descriptor (18 bytes) and
259   then the descriptors for the current configuration. See the USB 2.0 spec
260   for details about those binary data formats. You'll need to convert most
261   multibyte values from little endian format to your native host byte
262   order, although a few of the fields in the device descriptor (both of
263   the BCD-encoded fields, and the vendor and product IDs) will be
264   byteswapped for you. Note that configuration descriptors include
265   descriptors for interfaces, altsettings, endpoints, and maybe additional
266   class descriptors.
267
268 - *Perform USB operations* using *ioctl()* requests to make endpoint I/O
269   requests (synchronously or asynchronously) or manage the device. These
270   requests need the ``CAP_SYS_RAWIO`` capability, as well as filesystem
271   access permissions. Only one ioctl request can be made on one of these
272   device files at a time. This means that if you are synchronously reading
273   an endpoint from one thread, you won't be able to write to a different
274   endpoint from another thread until the read completes. This works for
275   *half duplex* protocols, but otherwise you'd use asynchronous i/o
276   requests.
277
278 Each connected USB device has one file.  The ``BBB`` indicates the bus
279 number.  The ``DDD`` indicates the device address on that bus.  Both
280 of these numbers are assigned sequentially, and can be reused, so
281 you can't rely on them for stable access to devices.  For example,
282 it's relatively common for devices to re-enumerate while they are
283 still connected (perhaps someone jostled their power supply, hub,
284 or USB cable), so a device might be ``002/027`` when you first connect
285 it and ``002/048`` sometime later.
286
287 These files can be read as binary data.  The binary data consists
288 of first the device descriptor, then the descriptors for each
289 configuration of the device.  Multi-byte fields in the device descriptor
290 are converted to host endianness by the kernel.  The configuration
291 descriptors are in bus endian format! The configuration descriptor
292 are wTotalLength bytes apart. If a device returns less configuration
293 descriptor data than indicated by wTotalLength there will be a hole in
294 the file for the missing bytes.  This information is also shown
295 in text form by the ``/sys/kernel/debug/usb/devices`` file, described later.
296
297 These files may also be used to write user-level drivers for the USB
298 devices.  You would open the ``/dev/bus/usb/BBB/DDD`` file read/write,
299 read its descriptors to make sure it's the device you expect, and then
300 bind to an interface (or perhaps several) using an ioctl call.  You
301 would issue more ioctls to the device to communicate to it using
302 control, bulk, or other kinds of USB transfers.  The IOCTLs are
303 listed in the ``<linux/usbdevice_fs.h>`` file, and at this writing the
304 source code (``linux/drivers/usb/core/devio.c``) is the primary reference
305 for how to access devices through those files.
306
307 Note that since by default these ``BBB/DDD`` files are writable only by
308 root, only root can write such user mode drivers.  You can selectively
309 grant read/write permissions to other users by using ``chmod``.  Also,
310 usbfs mount options such as ``devmode=0666`` may be helpful.
311
312
313 Life Cycle of User Mode Drivers
314 -------------------------------
315
316 Such a driver first needs to find a device file for a device it knows
317 how to handle. Maybe it was told about it because a ``/sbin/hotplug``
318 event handling agent chose that driver to handle the new device. Or
319 maybe it's an application that scans all the ``/dev/bus/usb`` device files,
320 and ignores most devices. In either case, it should :c:func:`read()`
321 all the descriptors from the device file, and check them against what it
322 knows how to handle. It might just reject everything except a particular
323 vendor and product ID, or need a more complex policy.
324
325 Never assume there will only be one such device on the system at a time!
326 If your code can't handle more than one device at a time, at least
327 detect when there's more than one, and have your users choose which
328 device to use.
329
330 Once your user mode driver knows what device to use, it interacts with
331 it in either of two styles. The simple style is to make only control
332 requests; some devices don't need more complex interactions than those.
333 (An example might be software using vendor-specific control requests for
334 some initialization or configuration tasks, with a kernel driver for the
335 rest.)
336
337 More likely, you need a more complex style driver: one using non-control
338 endpoints, reading or writing data and claiming exclusive use of an
339 interface. *Bulk* transfers are easiest to use, but only their sibling
340 *interrupt* transfers work with low speed devices. Both interrupt and
341 *isochronous* transfers offer service guarantees because their bandwidth
342 is reserved. Such "periodic" transfers are awkward to use through usbfs,
343 unless you're using the asynchronous calls. However, interrupt transfers
344 can also be used in a synchronous "one shot" style.
345
346 Your user-mode driver should never need to worry about cleaning up
347 request state when the device is disconnected, although it should close
348 its open file descriptors as soon as it starts seeing the ENODEV errors.
349
350 The ioctl() Requests
351 --------------------
352
353 To use these ioctls, you need to include the following headers in your
354 userspace program::
355
356     #include <linux/usb.h>
357     #include <linux/usbdevice_fs.h>
358     #include <asm/byteorder.h>
359
360 The standard USB device model requests, from "Chapter 9" of the USB 2.0
361 specification, are automatically included from the ``<linux/usb/ch9.h>``
362 header.
363
364 Unless noted otherwise, the ioctl requests described here will update
365 the modification time on the usbfs file to which they are applied
366 (unless they fail). A return of zero indicates success; otherwise, a
367 standard USB error code is returned (These are documented in
368 :ref:`usb-error-codes`).
369
370 Each of these files multiplexes access to several I/O streams, one per
371 endpoint. Each device has one control endpoint (endpoint zero) which
372 supports a limited RPC style RPC access. Devices are configured by
373 hub_wq (in the kernel) setting a device-wide *configuration* that
374 affects things like power consumption and basic functionality. The
375 endpoints are part of USB *interfaces*, which may have *altsettings*
376 affecting things like which endpoints are available. Many devices only
377 have a single configuration and interface, so drivers for them will
378 ignore configurations and altsettings.
379
380 Management/Status Requests
381 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
382
383 A number of usbfs requests don't deal very directly with device I/O.
384 They mostly relate to device management and status. These are all
385 synchronous requests.
386
387 USBDEVFS_CLAIMINTERFACE
388     This is used to force usbfs to claim a specific interface, which has
389     not previously been claimed by usbfs or any other kernel driver. The
390     ioctl parameter is an integer holding the number of the interface
391     (bInterfaceNumber from descriptor).
392
393     Note that if your driver doesn't claim an interface before trying to
394     use one of its endpoints, and no other driver has bound to it, then
395     the interface is automatically claimed by usbfs.
396
397     This claim will be released by a RELEASEINTERFACE ioctl, or by
398     closing the file descriptor. File modification time is not updated
399     by this request.
400
401 USBDEVFS_CONNECTINFO
402     Says whether the device is lowspeed. The ioctl parameter points to a
403     structure like this::
404
405         struct usbdevfs_connectinfo {
406                 unsigned int   devnum;
407                 unsigned char  slow;
408         };
409
410     File modification time is not updated by this request.
411
412     *You can't tell whether a "not slow" device is connected at high
413     speed (480 MBit/sec) or just full speed (12 MBit/sec).* You should
414     know the devnum value already, it's the DDD value of the device file
415     name.
416
417 USBDEVFS_GETDRIVER
418     Returns the name of the kernel driver bound to a given interface (a
419     string). Parameter is a pointer to this structure, which is
420     modified::
421
422         struct usbdevfs_getdriver {
423                 unsigned int  interface;
424                 char          driver[USBDEVFS_MAXDRIVERNAME + 1];
425         };
426
427     File modification time is not updated by this request.
428
429 USBDEVFS_IOCTL
430     Passes a request from userspace through to a kernel driver that has
431     an ioctl entry in the *struct usb_driver* it registered::
432
433         struct usbdevfs_ioctl {
434                 int     ifno;
435                 int     ioctl_code;
436                 void    *data;
437         };
438
439         /* user mode call looks like this.
440          * 'request' becomes the driver->ioctl() 'code' parameter.
441          * the size of 'param' is encoded in 'request', and that data
442          * is copied to or from the driver->ioctl() 'buf' parameter.
443          */
444         static int
445         usbdev_ioctl (int fd, int ifno, unsigned request, void *param)
446         {
447                 struct usbdevfs_ioctl   wrapper;
448
449                 wrapper.ifno = ifno;
450                 wrapper.ioctl_code = request;
451                 wrapper.data = param;
452
453                 return ioctl (fd, USBDEVFS_IOCTL, &wrapper);
454         }
455
456     File modification time is not updated by this request.
457
458     This request lets kernel drivers talk to user mode code through
459     filesystem operations even when they don't create a character or
460     block special device. It's also been used to do things like ask
461     devices what device special file should be used. Two pre-defined
462     ioctls are used to disconnect and reconnect kernel drivers, so that
463     user mode code can completely manage binding and configuration of
464     devices.
465
466 USBDEVFS_RELEASEINTERFACE
467     This is used to release the claim usbfs made on interface, either
468     implicitly or because of a USBDEVFS_CLAIMINTERFACE call, before the
469     file descriptor is closed. The ioctl parameter is an integer holding
470     the number of the interface (bInterfaceNumber from descriptor); File
471     modification time is not updated by this request.
472
473     .. warning::
474
475         *No security check is made to ensure that the task which made
476         the claim is the one which is releasing it. This means that user
477         mode driver may interfere other ones.*
478
479 USBDEVFS_RESETEP
480     Resets the data toggle value for an endpoint (bulk or interrupt) to
481     DATA0. The ioctl parameter is an integer endpoint number (1 to 15,
482     as identified in the endpoint descriptor), with USB_DIR_IN added
483     if the device's endpoint sends data to the host.
484
485     .. Warning::
486
487         *Avoid using this request. It should probably be removed.* Using
488         it typically means the device and driver will lose toggle
489         synchronization. If you really lost synchronization, you likely
490         need to completely handshake with the device, using a request
491         like CLEAR_HALT or SET_INTERFACE.
492
493 USBDEVFS_DROP_PRIVILEGES
494     This is used to relinquish the ability to do certain operations
495     which are considered to be privileged on a usbfs file descriptor.
496     This includes claiming arbitrary interfaces, resetting a device on
497     which there are currently claimed interfaces from other users, and
498     issuing USBDEVFS_IOCTL calls. The ioctl parameter is a 32 bit mask
499     of interfaces the user is allowed to claim on this file descriptor.
500     You may issue this ioctl more than one time to narrow said mask.
501
502 Synchronous I/O Support
503 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
504
505 Synchronous requests involve the kernel blocking until the user mode
506 request completes, either by finishing successfully or by reporting an
507 error. In most cases this is the simplest way to use usbfs, although as
508 noted above it does prevent performing I/O to more than one endpoint at
509 a time.
510
511 USBDEVFS_BULK
512     Issues a bulk read or write request to the device. The ioctl
513     parameter is a pointer to this structure::
514
515         struct usbdevfs_bulktransfer {
516                 unsigned int  ep;
517                 unsigned int  len;
518                 unsigned int  timeout; /* in milliseconds */
519                 void          *data;
520         };
521
522     The ``ep`` value identifies a bulk endpoint number (1 to 15, as
523     identified in an endpoint descriptor), masked with USB_DIR_IN when
524     referring to an endpoint which sends data to the host from the
525     device. The length of the data buffer is identified by ``len``; Recent
526     kernels support requests up to about 128KBytes. *FIXME say how read
527     length is returned, and how short reads are handled.*.
528
529 USBDEVFS_CLEAR_HALT
530     Clears endpoint halt (stall) and resets the endpoint toggle. This is
531     only meaningful for bulk or interrupt endpoints. The ioctl parameter
532     is an integer endpoint number (1 to 15, as identified in an endpoint
533     descriptor), masked with USB_DIR_IN when referring to an endpoint
534     which sends data to the host from the device.
535
536     Use this on bulk or interrupt endpoints which have stalled,
537     returning ``-EPIPE`` status to a data transfer request. Do not issue
538     the control request directly, since that could invalidate the host's
539     record of the data toggle.
540
541 USBDEVFS_CONTROL
542     Issues a control request to the device. The ioctl parameter points
543     to a structure like this::
544
545         struct usbdevfs_ctrltransfer {
546                 __u8   bRequestType;
547                 __u8   bRequest;
548                 __u16  wValue;
549                 __u16  wIndex;
550                 __u16  wLength;
551                 __u32  timeout;  /* in milliseconds */
552                 void   *data;
553         };
554
555     The first eight bytes of this structure are the contents of the
556     SETUP packet to be sent to the device; see the USB 2.0 specification
557     for details. The bRequestType value is composed by combining a
558     ``USB_TYPE_*`` value, a ``USB_DIR_*`` value, and a ``USB_RECIP_*``
559     value (from ``linux/usb.h``). If wLength is nonzero, it describes
560     the length of the data buffer, which is either written to the device
561     (USB_DIR_OUT) or read from the device (USB_DIR_IN).
562
563     At this writing, you can't transfer more than 4 KBytes of data to or
564     from a device; usbfs has a limit, and some host controller drivers
565     have a limit. (That's not usually a problem.) *Also* there's no way
566     to say it's not OK to get a short read back from the device.
567
568 USBDEVFS_RESET
569     Does a USB level device reset. The ioctl parameter is ignored. After
570     the reset, this rebinds all device interfaces. File modification
571     time is not updated by this request.
572
573 .. warning::
574
575         *Avoid using this call* until some usbcore bugs get fixed, since
576         it does not fully synchronize device, interface, and driver (not
577         just usbfs) state.
578
579 USBDEVFS_SETINTERFACE
580     Sets the alternate setting for an interface. The ioctl parameter is
581     a pointer to a structure like this::
582
583         struct usbdevfs_setinterface {
584                 unsigned int  interface;
585                 unsigned int  altsetting;
586         };
587
588     File modification time is not updated by this request.
589
590     Those struct members are from some interface descriptor applying to
591     the current configuration. The interface number is the
592     bInterfaceNumber value, and the altsetting number is the
593     bAlternateSetting value. (This resets each endpoint in the
594     interface.)
595
596 USBDEVFS_SETCONFIGURATION
597     Issues the :c:func:`usb_set_configuration()` call for the
598     device. The parameter is an integer holding the number of a
599     configuration (bConfigurationValue from descriptor). File
600     modification time is not updated by this request.
601
602 .. warning::
603
604         *Avoid using this call* until some usbcore bugs get fixed, since
605         it does not fully synchronize device, interface, and driver (not
606         just usbfs) state.
607
608 Asynchronous I/O Support
609 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
610
611 As mentioned above, there are situations where it may be important to
612 initiate concurrent operations from user mode code. This is particularly
613 important for periodic transfers (interrupt and isochronous), but it can
614 be used for other kinds of USB requests too. In such cases, the
615 asynchronous requests described here are essential. Rather than
616 submitting one request and having the kernel block until it completes,
617 the blocking is separate.
618
619 These requests are packaged into a structure that resembles the URB used
620 by kernel device drivers. (No POSIX Async I/O support here, sorry.) It
621 identifies the endpoint type (``USBDEVFS_URB_TYPE_*``), endpoint
622 (number, masked with USB_DIR_IN as appropriate), buffer and length,
623 and a user "context" value serving to uniquely identify each request.
624 (It's usually a pointer to per-request data.) Flags can modify requests
625 (not as many as supported for kernel drivers).
626
627 Each request can specify a realtime signal number (between SIGRTMIN and
628 SIGRTMAX, inclusive) to request a signal be sent when the request
629 completes.
630
631 When usbfs returns these urbs, the status value is updated, and the
632 buffer may have been modified. Except for isochronous transfers, the
633 actual_length is updated to say how many bytes were transferred; if the
634 USBDEVFS_URB_DISABLE_SPD flag is set ("short packets are not OK"), if
635 fewer bytes were read than were requested then you get an error report::
636
637     struct usbdevfs_iso_packet_desc {
638             unsigned int                     length;
639             unsigned int                     actual_length;
640             unsigned int                     status;
641     };
642
643     struct usbdevfs_urb {
644             unsigned char                    type;
645             unsigned char                    endpoint;
646             int                              status;
647             unsigned int                     flags;
648             void                             *buffer;
649             int                              buffer_length;
650             int                              actual_length;
651             int                              start_frame;
652             int                              number_of_packets;
653             int                              error_count;
654             unsigned int                     signr;
655             void                             *usercontext;
656             struct usbdevfs_iso_packet_desc  iso_frame_desc[];
657     };
658
659 For these asynchronous requests, the file modification time reflects
660 when the request was initiated. This contrasts with their use with the
661 synchronous requests, where it reflects when requests complete.
662
663 USBDEVFS_DISCARDURB
664     *TBS* File modification time is not updated by this request.
665
666 USBDEVFS_DISCSIGNAL
667     *TBS* File modification time is not updated by this request.
668
669 USBDEVFS_REAPURB
670     *TBS* File modification time is not updated by this request.
671
672 USBDEVFS_REAPURBNDELAY
673     *TBS* File modification time is not updated by this request.
674
675 USBDEVFS_SUBMITURB
676     *TBS*
677
678 The USB devices
679 ===============
680
681 The USB devices are now exported via debugfs:
682
683 -  ``/sys/kernel/debug/usb/devices`` ... a text file showing each of the USB
684    devices on known to the kernel, and their configuration descriptors.
685    You can also poll() this to learn about new devices.
686
687 /sys/kernel/debug/usb/devices
688 -----------------------------
689
690 This file is handy for status viewing tools in user mode, which can scan
691 the text format and ignore most of it. More detailed device status
692 (including class and vendor status) is available from device-specific
693 files. For information about the current format of this file, see the
694 ``Documentation/usb/proc_usb_info.txt`` file in your Linux kernel
695 sources.
696
697 This file, in combination with the poll() system call, can also be used
698 to detect when devices are added or removed::
699
700     int fd;
701     struct pollfd pfd;
702
703     fd = open("/sys/kernel/debug/usb/devices", O_RDONLY);
704     pfd = { fd, POLLIN, 0 };
705     for (;;) {
706         /* The first time through, this call will return immediately. */
707         poll(&pfd, 1, -1);
708
709         /* To see what's changed, compare the file's previous and current
710            contents or scan the filesystem.  (Scanning is more precise.) */
711     }
712
713 Note that this behavior is intended to be used for informational and
714 debug purposes. It would be more appropriate to use programs such as
715 udev or HAL to initialize a device or start a user-mode helper program,
716 for instance.
717
718 In this file, each device's output has multiple lines of ASCII output.
719
720 I made it ASCII instead of binary on purpose, so that someone
721 can obtain some useful data from it without the use of an
722 auxiliary program.  However, with an auxiliary program, the numbers
723 in the first 4 columns of each ``T:`` line (topology info:
724 Lev, Prnt, Port, Cnt) can be used to build a USB topology diagram.
725
726 Each line is tagged with a one-character ID for that line::
727
728         T = Topology (etc.)
729         B = Bandwidth (applies only to USB host controllers, which are
730         virtualized as root hubs)
731         D = Device descriptor info.
732         P = Product ID info. (from Device descriptor, but they won't fit
733         together on one line)
734         S = String descriptors.
735         C = Configuration descriptor info. (* = active configuration)
736         I = Interface descriptor info.
737         E = Endpoint descriptor info.
738
739 /sys/kernel/debug/usb/devices output format
740 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
741
742 Legend::
743   d = decimal number (may have leading spaces or 0's)
744   x = hexadecimal number (may have leading spaces or 0's)
745   s = string
746
747
748
749 Topology info
750 ^^^^^^^^^^^^^
751
752 ::
753
754         T:  Bus=dd Lev=dd Prnt=dd Port=dd Cnt=dd Dev#=ddd Spd=dddd MxCh=dd
755         |   |      |      |       |       |      |        |        |__MaxChildren
756         |   |      |      |       |       |      |        |__Device Speed in Mbps
757         |   |      |      |       |       |      |__DeviceNumber
758         |   |      |      |       |       |__Count of devices at this level
759         |   |      |      |       |__Connector/Port on Parent for this device
760         |   |      |      |__Parent DeviceNumber
761         |   |      |__Level in topology for this bus
762         |   |__Bus number
763         |__Topology info tag
764
765 Speed may be:
766
767         ======= ======================================================
768         1.5     Mbit/s for low speed USB
769         12      Mbit/s for full speed USB
770         480     Mbit/s for high speed USB (added for USB 2.0);
771                 also used for Wireless USB, which has no fixed speed
772         5000    Mbit/s for SuperSpeed USB (added for USB 3.0)
773         ======= ======================================================
774
775 For reasons lost in the mists of time, the Port number is always
776 too low by 1.  For example, a device plugged into port 4 will
777 show up with ``Port=03``.
778
779 Bandwidth info
780 ^^^^^^^^^^^^^^
781
782 ::
783
784         B:  Alloc=ddd/ddd us (xx%), #Int=ddd, #Iso=ddd
785         |   |                       |         |__Number of isochronous requests
786         |   |                       |__Number of interrupt requests
787         |   |__Total Bandwidth allocated to this bus
788         |__Bandwidth info tag
789
790 Bandwidth allocation is an approximation of how much of one frame
791 (millisecond) is in use.  It reflects only periodic transfers, which
792 are the only transfers that reserve bandwidth.  Control and bulk
793 transfers use all other bandwidth, including reserved bandwidth that
794 is not used for transfers (such as for short packets).
795
796 The percentage is how much of the "reserved" bandwidth is scheduled by
797 those transfers.  For a low or full speed bus (loosely, "USB 1.1"),
798 90% of the bus bandwidth is reserved.  For a high speed bus (loosely,
799 "USB 2.0") 80% is reserved.
800
801
802 Device descriptor info & Product ID info
803 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
804
805 ::
806
807         D:  Ver=x.xx Cls=xx(s) Sub=xx Prot=xx MxPS=dd #Cfgs=dd
808         P:  Vendor=xxxx ProdID=xxxx Rev=xx.xx
809
810 where::
811
812         D:  Ver=x.xx Cls=xx(sssss) Sub=xx Prot=xx MxPS=dd #Cfgs=dd
813         |   |        |             |      |       |       |__NumberConfigurations
814         |   |        |             |      |       |__MaxPacketSize of Default Endpoint
815         |   |        |             |      |__DeviceProtocol
816         |   |        |             |__DeviceSubClass
817         |   |        |__DeviceClass
818         |   |__Device USB version
819         |__Device info tag #1
820
821 where::
822
823         P:  Vendor=xxxx ProdID=xxxx Rev=xx.xx
824         |   |           |           |__Product revision number
825         |   |           |__Product ID code
826         |   |__Vendor ID code
827         |__Device info tag #2
828
829
830 String descriptor info
831 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
832 ::
833
834         S:  Manufacturer=ssss
835         |   |__Manufacturer of this device as read from the device.
836         |      For USB host controller drivers (virtual root hubs) this may
837         |      be omitted, or (for newer drivers) will identify the kernel
838         |      version and the driver which provides this hub emulation.
839         |__String info tag
840
841         S:  Product=ssss
842         |   |__Product description of this device as read from the device.
843         |      For older USB host controller drivers (virtual root hubs) this
844         |      indicates the driver; for newer ones, it's a product (and vendor)
845         |      description that often comes from the kernel's PCI ID database.
846         |__String info tag
847
848         S:  SerialNumber=ssss
849         |   |__Serial Number of this device as read from the device.
850         |      For USB host controller drivers (virtual root hubs) this is
851         |      some unique ID, normally a bus ID (address or slot name) that
852         |      can't be shared with any other device.
853         |__String info tag
854
855
856
857 Configuration descriptor info
858 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
859 ::
860
861         C:* #Ifs=dd Cfg#=dd Atr=xx MPwr=dddmA
862         | | |       |       |      |__MaxPower in mA
863         | | |       |       |__Attributes
864         | | |       |__ConfiguratioNumber
865         | | |__NumberOfInterfaces
866         | |__ "*" indicates the active configuration (others are " ")
867         |__Config info tag
868
869 USB devices may have multiple configurations, each of which act
870 rather differently.  For example, a bus-powered configuration
871 might be much less capable than one that is self-powered.  Only
872 one device configuration can be active at a time; most devices
873 have only one configuration.
874
875 Each configuration consists of one or more interfaces.  Each
876 interface serves a distinct "function", which is typically bound
877 to a different USB device driver.  One common example is a USB
878 speaker with an audio interface for playback, and a HID interface
879 for use with software volume control.
880
881 Interface descriptor info (can be multiple per Config)
882 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
883 ::
884
885         I:* If#=dd Alt=dd #EPs=dd Cls=xx(sssss) Sub=xx Prot=xx Driver=ssss
886         | | |      |      |       |             |      |       |__Driver name
887         | | |      |      |       |             |      |          or "(none)"
888         | | |      |      |       |             |      |__InterfaceProtocol
889         | | |      |      |       |             |__InterfaceSubClass
890         | | |      |      |       |__InterfaceClass
891         | | |      |      |__NumberOfEndpoints
892         | | |      |__AlternateSettingNumber
893         | | |__InterfaceNumber
894         | |__ "*" indicates the active altsetting (others are " ")
895         |__Interface info tag
896
897 A given interface may have one or more "alternate" settings.
898 For example, default settings may not use more than a small
899 amount of periodic bandwidth.  To use significant fractions
900 of bus bandwidth, drivers must select a non-default altsetting.
901
902 Only one setting for an interface may be active at a time, and
903 only one driver may bind to an interface at a time.  Most devices
904 have only one alternate setting per interface.
905
906
907 Endpoint descriptor info (can be multiple per Interface)
908 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
909
910 ::
911
912         E:  Ad=xx(s) Atr=xx(ssss) MxPS=dddd Ivl=dddss
913         |   |        |            |         |__Interval (max) between transfers
914         |   |        |            |__EndpointMaxPacketSize
915         |   |        |__Attributes(EndpointType)
916         |   |__EndpointAddress(I=In,O=Out)
917         |__Endpoint info tag
918
919 The interval is nonzero for all periodic (interrupt or isochronous)
920 endpoints.  For high speed endpoints the transfer interval may be
921 measured in microseconds rather than milliseconds.
922
923 For high speed periodic endpoints, the ``EndpointMaxPacketSize`` reflects
924 the per-microframe data transfer size.  For "high bandwidth"
925 endpoints, that can reflect two or three packets (for up to
926 3KBytes every 125 usec) per endpoint.
927
928 With the Linux-USB stack, periodic bandwidth reservations use the
929 transfer intervals and sizes provided by URBs, which can be less
930 than those found in endpoint descriptor.
931
932 Usage examples
933 ~~~~~~~~~~~~~~
934
935 If a user or script is interested only in Topology info, for
936 example, use something like ``grep ^T: /sys/kernel/debug/usb/devices``
937 for only the Topology lines.  A command like
938 ``grep -i ^[tdp]: /sys/kernel/debug/usb/devices`` can be used to list
939 only the lines that begin with the characters in square brackets,
940 where the valid characters are TDPCIE.  With a slightly more able
941 script, it can display any selected lines (for example, only T, D,
942 and P lines) and change their output format.  (The ``procusb``
943 Perl script is the beginning of this idea.  It will list only
944 selected lines [selected from TBDPSCIE] or "All" lines from
945 ``/sys/kernel/debug/usb/devices``.)
946
947 The Topology lines can be used to generate a graphic/pictorial
948 of the USB devices on a system's root hub.  (See more below
949 on how to do this.)
950
951 The Interface lines can be used to determine what driver is
952 being used for each device, and which altsetting it activated.
953
954 The Configuration lines could be used to list maximum power
955 (in milliamps) that a system's USB devices are using.
956 For example, ``grep ^C: /sys/kernel/debug/usb/devices``.
957
958
959 Here's an example, from a system which has a UHCI root hub,
960 an external hub connected to the root hub, and a mouse and
961 a serial converter connected to the external hub.
962
963 ::
964
965         T:  Bus=00 Lev=00 Prnt=00 Port=00 Cnt=00 Dev#=  1 Spd=12   MxCh= 2
966         B:  Alloc= 28/900 us ( 3%), #Int=  2, #Iso=  0
967         D:  Ver= 1.00 Cls=09(hub  ) Sub=00 Prot=00 MxPS= 8 #Cfgs=  1
968         P:  Vendor=0000 ProdID=0000 Rev= 0.00
969         S:  Product=USB UHCI Root Hub
970         S:  SerialNumber=dce0
971         C:* #Ifs= 1 Cfg#= 1 Atr=40 MxPwr=  0mA
972         I:  If#= 0 Alt= 0 #EPs= 1 Cls=09(hub  ) Sub=00 Prot=00 Driver=hub
973         E:  Ad=81(I) Atr=03(Int.) MxPS=   8 Ivl=255ms
974
975         T:  Bus=00 Lev=01 Prnt=01 Port=00 Cnt=01 Dev#=  2 Spd=12   MxCh= 4
976         D:  Ver= 1.00 Cls=09(hub  ) Sub=00 Prot=00 MxPS= 8 #Cfgs=  1
977         P:  Vendor=0451 ProdID=1446 Rev= 1.00
978         C:* #Ifs= 1 Cfg#= 1 Atr=e0 MxPwr=100mA
979         I:  If#= 0 Alt= 0 #EPs= 1 Cls=09(hub  ) Sub=00 Prot=00 Driver=hub
980         E:  Ad=81(I) Atr=03(Int.) MxPS=   1 Ivl=255ms
981
982         T:  Bus=00 Lev=02 Prnt=02 Port=00 Cnt=01 Dev#=  3 Spd=1.5  MxCh= 0
983         D:  Ver= 1.00 Cls=00(>ifc ) Sub=00 Prot=00 MxPS= 8 #Cfgs=  1
984         P:  Vendor=04b4 ProdID=0001 Rev= 0.00
985         C:* #Ifs= 1 Cfg#= 1 Atr=80 MxPwr=100mA
986         I:  If#= 0 Alt= 0 #EPs= 1 Cls=03(HID  ) Sub=01 Prot=02 Driver=mouse
987         E:  Ad=81(I) Atr=03(Int.) MxPS=   3 Ivl= 10ms
988
989         T:  Bus=00 Lev=02 Prnt=02 Port=02 Cnt=02 Dev#=  4 Spd=12   MxCh= 0
990         D:  Ver= 1.00 Cls=00(>ifc ) Sub=00 Prot=00 MxPS= 8 #Cfgs=  1
991         P:  Vendor=0565 ProdID=0001 Rev= 1.08
992         S:  Manufacturer=Peracom Networks, Inc.
993         S:  Product=Peracom USB to Serial Converter
994         C:* #Ifs= 1 Cfg#= 1 Atr=a0 MxPwr=100mA
995         I:  If#= 0 Alt= 0 #EPs= 3 Cls=00(>ifc ) Sub=00 Prot=00 Driver=serial
996         E:  Ad=81(I) Atr=02(Bulk) MxPS=  64 Ivl= 16ms
997         E:  Ad=01(O) Atr=02(Bulk) MxPS=  16 Ivl= 16ms
998         E:  Ad=82(I) Atr=03(Int.) MxPS=   8 Ivl=  8ms
999
1000
1001 Selecting only the ``T:`` and ``I:`` lines from this (for example, by using
1002 ``procusb ti``), we have
1003
1004 ::
1005
1006         T:  Bus=00 Lev=00 Prnt=00 Port=00 Cnt=00 Dev#=  1 Spd=12   MxCh= 2
1007         T:  Bus=00 Lev=01 Prnt=01 Port=00 Cnt=01 Dev#=  2 Spd=12   MxCh= 4
1008         I:  If#= 0 Alt= 0 #EPs= 1 Cls=09(hub  ) Sub=00 Prot=00 Driver=hub
1009         T:  Bus=00 Lev=02 Prnt=02 Port=00 Cnt=01 Dev#=  3 Spd=1.5  MxCh= 0
1010         I:  If#= 0 Alt= 0 #EPs= 1 Cls=03(HID  ) Sub=01 Prot=02 Driver=mouse
1011         T:  Bus=00 Lev=02 Prnt=02 Port=02 Cnt=02 Dev#=  4 Spd=12   MxCh= 0
1012         I:  If#= 0 Alt= 0 #EPs= 3 Cls=00(>ifc ) Sub=00 Prot=00 Driver=serial
1013
1014
1015 Physically this looks like (or could be converted to)::
1016
1017                       +------------------+
1018                       |  PC/root_hub (12)|   Dev# = 1
1019                       +------------------+   (nn) is Mbps.
1020     Level 0           |  CN.0   |  CN.1  |   [CN = connector/port #]
1021                       +------------------+
1022                           /
1023                          /
1024             +-----------------------+
1025   Level 1   | Dev#2: 4-port hub (12)|
1026             +-----------------------+
1027             |CN.0 |CN.1 |CN.2 |CN.3 |
1028             +-----------------------+
1029                 \           \____________________
1030                  \_____                          \
1031                        \                          \
1032                +--------------------+      +--------------------+
1033   Level 2      | Dev# 3: mouse (1.5)|      | Dev# 4: serial (12)|
1034                +--------------------+      +--------------------+
1035
1036
1037
1038 Or, in a more tree-like structure (ports [Connectors] without
1039 connections could be omitted)::
1040
1041         PC:  Dev# 1, root hub, 2 ports, 12 Mbps
1042         |_ CN.0:  Dev# 2, hub, 4 ports, 12 Mbps
1043              |_ CN.0:  Dev #3, mouse, 1.5 Mbps
1044              |_ CN.1:
1045              |_ CN.2:  Dev #4, serial, 12 Mbps
1046              |_ CN.3:
1047         |_ CN.1: