Linux下USB core的工作原理及設(shè)備驅(qū)動(dòng)技術(shù)

Linux下USB core的工作原理及設(shè)備驅(qū)動(dòng)技術(shù)

Linux以其穩(wěn)定、高效、易定制、硬件支持廣泛、源代碼開放等特點(diǎn)，已在嵌入式領(lǐng)域迅速崛起，被國(guó)際上許多大型的跨國(guó)企業(yè)用作嵌入式產(chǎn)品的系統(tǒng)平臺(tái)。



USB是Universal Serial Bus (通用串行總線)的縮寫，是1995年由Microsoft、Compaq、IBM等公司聯(lián)合制定的一種新的PC串行通信協(xié)議。它是一種快速、靈活的總線接口。與其它通信接口相比較，USB接口的最大特點(diǎn)是易于使用，這也是USB的主要設(shè)計(jì)目標(biāo)。USB的成功得益于在USB標(biāo)準(zhǔn)中除定義了通信的物理層和電器層標(biāo)準(zhǔn)外。還定義了一套相對(duì)完整的軟件協(xié)議堆棧。這使得多數(shù)USB設(shè)備都很容易在各種平臺(tái)上工作。作為一種高速總線接口，USB適用于多種設(shè)備(如數(shù)碼相機(jī)、MP3播放器、高速數(shù)據(jù)采集設(shè)備等)。另外，USB接口還支持熱插拔，而且所有的配置過(guò)程都由系統(tǒng)自動(dòng)完成，無(wú)須用戶干預(yù)。



1 Linux下的USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)



在Linux內(nèi)核的不斷升級(jí)過(guò)程中，驅(qū)動(dòng)程序的結(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定。由于USB設(shè)備也是外圍設(shè)備的一種，因此，它的驅(qū)動(dòng)程序結(jié)構(gòu)與普通設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序相同。Linux系統(tǒng)的設(shè)備分為字符設(shè)備(CharDevice)和塊設(shè)備(BlockDevice)。字符設(shè)備支持面向塊字符的I／O操作，它不通過(guò)系統(tǒng)的快速緩存，而只支持順序存取。塊設(shè)備則支持面向塊的I／O操作，所有塊設(shè)備的I／O操作都通過(guò)在內(nèi)核地址空間的I／O緩沖區(qū)進(jìn)行，可以支持幾乎任意長(zhǎng)度和任意位置上的I／O請(qǐng)求。塊設(shè)備與字符設(shè)備還有一點(diǎn)不同，就是塊設(shè)備必須能夠隨機(jī)存取(RandomAccess)，字符設(shè)備則沒(méi)有這個(gè)要求。典型的字符設(shè)備包括鼠標(biāo)、鍵盤、串行口等，而塊設(shè)備主要包括硬盤軟盤設(shè)備、CD-Rom等。由于USB設(shè)備主要都是通過(guò)快速串行通訊來(lái)讀寫數(shù)據(jù)，因此一般都可作為字符設(shè)備來(lái)進(jìn)行處理。



2 Linux下的USB core



2.1 Linux中USB core與USB的結(jié)構(gòu)關(guān)系



Linux操作系統(tǒng)中有一個(gè)叫做“USB core”的子系統(tǒng)，可提供支持USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的API和USB主機(jī)控制器的驅(qū)動(dòng)程序。同時(shí)提供有許多數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、宏定義和功能函數(shù)來(lái)對(duì)硬件或設(shè)備進(jìn)行支持。在Linux下編寫USB設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序時(shí)，從嚴(yán)格意義上講，就是使用這些USB core的子系統(tǒng)所定義的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、宏和函數(shù)來(lái)編寫數(shù)據(jù)的處理功能。在Linux下，core、host controller和driver三者之間的關(guān)系如圖1所示。

2.2 USB core的初始化



USB core從USB子系統(tǒng)的初始化開始。USB子系統(tǒng)的初始化則在文件drivers／usb／core／usb．c里。其代碼如下：



  subsys_initcall(usb_init)；

  module_exit(usb_exit)；



代碼中的subsys_initcall是一個(gè)宏，相當(dāng)于module_init，只不過(guò)因?yàn)檫@部分代碼是核心，開發(fā)者通常把它看作一個(gè)子系統(tǒng)，而不僅僅是一個(gè)模塊。因?yàn)閁SB core模塊代表的不是某一個(gè)設(shè)備，而是所有USB設(shè)備賴以生存的模塊。因此，在Linux中，像這樣把一個(gè)類別的設(shè)備驅(qū)動(dòng)歸結(jié)為一個(gè)子系統(tǒng)(比如PCI子系統(tǒng)、scsi子系統(tǒng)等)?；旧?，drivers／目錄下面第一層的每個(gè)目錄都可算作一個(gè)子系統(tǒng)，因?yàn)樗鼈兇砹艘活愒O(shè)備。一般地，usb_init是真正的初始化函數(shù)，而usb_exit()則是整個(gè)USB子系統(tǒng)結(jié)束時(shí)的清理函數(shù)：







函數(shù)usb_init主要完成初始化和注冊(cè)設(shè)備。



2.3 USB里的設(shè)備模型



Linux里一個(gè)很重要的概念是設(shè)備模型。對(duì)于驅(qū)動(dòng)來(lái)說(shuō)，設(shè)備的概念就是總線和與其相連的各種設(shè)備。在內(nèi)核里，總線、設(shè)備、驅(qū)動(dòng)也就是bus、device、driver是設(shè)備模型很重要的三個(gè)概念，它們都有自己專屬的結(jié)構(gòu)。在include／linux／devide．h里的定義為：



struct bus_type {……}；

struct device {……)；

struct device_driver {……}；



每次出現(xiàn)一個(gè)設(shè)備都要向總線注冊(cè)，每次出現(xiàn)一個(gè)驅(qū)動(dòng)，也要向總線注冊(cè)。系統(tǒng)初始化時(shí)，應(yīng)掃描連接許多設(shè)備，并為每一個(gè)設(shè)備建立一個(gè)struct device的變量。每一次都應(yīng)有一個(gè)驅(qū)動(dòng)程序，并要準(zhǔn)備一個(gè)struct device_driver結(jié)構(gòu)的變量。還要把這些變量加入相應(yīng)的鏈表(如把device插入devices鏈表，driver插入drivers鏈表)。這樣，通過(guò)總線就能找到每一個(gè)設(shè)備和每一個(gè)驅(qū)動(dòng)。然而，假如計(jì)算機(jī)里只有設(shè)備卻沒(méi)有對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)，那么設(shè)備將無(wú)法工作。反過(guò)來(lái)，倘若只有驅(qū)動(dòng)卻沒(méi)有設(shè)備，驅(qū)動(dòng)也起不了任何作用。對(duì)于USB設(shè)備，它可以在計(jì)算機(jī)啟動(dòng)以后再插入或者拔出計(jì)算機(jī)。由于device可以在任何時(shí)刻出現(xiàn)，而driver也可以在任何時(shí)刻被加載，所以，每當(dāng)一個(gè)struct device誕生時(shí)，它就會(huì)去BUS的drivers鏈表中尋找自己的另一半。如果找到了匹配的設(shè)備，就調(diào)用device_bind_driver，并綁定好。



Linux設(shè)備模型中的總線落實(shí)在USB子系統(tǒng)里就是usb_bus_type，它在usb_init函數(shù)中可用retval=bus_register(&usb_bus_type)語(yǔ)句注冊(cè)，而在driver.c文件里的定義如下：







該函數(shù)的形參對(duì)應(yīng)的就是總線兩條鏈表里的設(shè)備和驅(qū)動(dòng)。當(dāng)總線上有新設(shè)備和驅(qū)動(dòng)時(shí)，這個(gè)函數(shù)就會(huì)被調(diào)用。



3 USB驅(qū)動(dòng)程序的描述符



一個(gè)設(shè)備可以有多個(gè)接口，一個(gè)接口可代表一個(gè)功能，因此，每個(gè)接口都對(duì)應(yīng)著一個(gè)驅(qū)動(dòng)。例如一個(gè)USB設(shè)備有兩種功能，一個(gè)鍵盤，上面還帶一個(gè)揚(yáng)聲器，這就是兩個(gè)接口，就需要兩個(gè)驅(qū)動(dòng)程序，一個(gè)是鍵盤驅(qū)動(dòng)程序，一個(gè)是音頻流驅(qū)動(dòng)程序。



一個(gè)驅(qū)動(dòng)程序是否支持一個(gè)設(shè)備，要通過(guò)讀取設(shè)備的描述符來(lái)判斷。那么，什么是USB的描述符呢?USB的描述符是一個(gè)帶有預(yù)定義格式的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，里面保存有USB設(shè)備的各種屬性和相關(guān)信息，可以通過(guò)向設(shè)備請(qǐng)求獲得它們的描述符內(nèi)容來(lái)深刻了解和感知一個(gè)USB設(shè)備。主要有四種USB描述符，分別為：接口描述符、端點(diǎn)描述符、設(shè)備描述符和配置描述符。



協(xié)議規(guī)定：一個(gè)USB設(shè)備必須支持這四大描述符，還有些描述符不是必須包含的，有些特殊設(shè)備用來(lái)描述設(shè)備的不同特性，但這四大描述符是一個(gè)都不能少的。USB設(shè)備里有一個(gè)eeprom，可用來(lái)存儲(chǔ)設(shè)備本身信息，設(shè)備的描述符就存儲(chǔ)在這里。



上述四個(gè)描述符分別放在了include／linux／usb．h文件中的struct usb_host_interface、structusb_host_endpoint、struct usb_device、struetusb_host_config里，而描述符結(jié)構(gòu)體本身定義在include／linux／usb／ch9．h里．并分別用struct usb_interface_descriptor、struct usb_host_endpoint、structusb_device_descriptor和struct usb_config_descriptor來(lái)表示。描述符結(jié)構(gòu)體的定義應(yīng)完全按照USB協(xié)議對(duì)描述符的規(guī)定來(lái)定義。



4 USB接口驅(qū)動(dòng)



4.1 接口結(jié)構(gòu)



平時(shí)編寫的USB驅(qū)動(dòng)通常指的是寫USB接口的驅(qū)動(dòng)，一個(gè)接口對(duì)應(yīng)一個(gè)接口驅(qū)動(dòng)程序，需要以一個(gè)struct usb_driver結(jié)構(gòu)的對(duì)象為中心，并以設(shè)備的接口提供的功能為基礎(chǔ)，來(lái)進(jìn)行USB驅(qū)動(dòng)程序的編寫。struct usb_driver結(jié)構(gòu)體一般定義在include／linux／usb.h文件里。具體如下：



struct usb_driver{

const char*name；

int(*probe)  (struct usb_interface*intf，const

struct usb_device_jd*id)；

void(*disconnect)  (struct usb_interface*intf)；

int(*ioctl)  (struct usb_interface*intf，unsigned

int code，void*buf)；

int  (*suspend)  (struct usb_interface*intf，

pm_message_t message)；

int(*resume)  (struct usb_interface*intf)；

void(*pre_reset)  (struct usb_interface*intf)；

void(*post_reset)(struct usb_interface*intf)；

const struct usb_device_id*id_table；

struct usb_dynids dynids；

struct usbdrv_wrap drvwrap；

unsigned int no_dynamic_id：1；

unsigned int supports_autosuspend：1；

}；



Name為驅(qū)動(dòng)程序的名字，對(duì)應(yīng)于／sys／bus／usb／drivers／下面的子目錄名稱。它只是彼此區(qū)別的一個(gè)代號(hào)，這里的名字在所有的USB驅(qū)動(dòng)中必須是唯一的。probe用來(lái)看看這個(gè)USB驅(qū)動(dòng)是否愿意接受某個(gè)接口的函數(shù)。Disconnect函數(shù)將在接口失去聯(lián)系或使用rmmod卸載驅(qū)動(dòng)將它和接口強(qiáng)行分開時(shí)被調(diào)用。Ioctl函數(shù)則用在驅(qū)動(dòng)通過(guò)usbfs和用戶空間進(jìn)行交流時(shí)使用。Suspend、esume分別在設(shè)備被掛起和喚醒時(shí)使用。pre_reset、post_reset分別在設(shè)備將要復(fù)位(reset)和已經(jīng)復(fù)位后使用。id_table的變量可用來(lái)判斷是否支持某個(gè)設(shè)備接口。Dynids是支持動(dòng)態(tài)id的。實(shí)際上，即使驅(qū)動(dòng)已經(jīng)加載了，也可以添加新的id給它。drvwrap是給USB core區(qū)分設(shè)備驅(qū)動(dòng)和接口驅(qū)動(dòng)用的。no_dynamic_id可以用來(lái)禁止動(dòng)態(tài)id。supports_autosuspend可對(duì)autosuspend提供支持，如果設(shè)置為0，則不再允許綁定到這個(gè)驅(qū)動(dòng)的接口autosuspend。



接口驅(qū)動(dòng)



當(dāng)insmod或modprobe驅(qū)動(dòng)的時(shí)候，經(jīng)過(guò)一個(gè)曲折的過(guò)程，就會(huì)調(diào)用相應(yīng)USB驅(qū)動(dòng)里的xxx_init函數(shù)，進(jìn)而去調(diào)用usb_register ()，以將相應(yīng)的USB驅(qū)動(dòng)提交給設(shè)備模型，添加到USB總線的驅(qū)動(dòng)鏈表里。當(dāng)rmmod驅(qū)動(dòng)時(shí)，同樣，在經(jīng)過(guò)一個(gè)曲折的過(guò)程之后，再調(diào)用相應(yīng)驅(qū)動(dòng)里的xxx_cleanup函數(shù)，進(jìn)而調(diào)用usb_deregister ()將相應(yīng)的USB驅(qū)動(dòng)從USB總線的驅(qū)動(dòng)鏈表里刪除。



5 結(jié)束語(yǔ)



本文介紹了Linux下USB core的工作原理，同時(shí)介紹了驅(qū)動(dòng)USB必須了解的四個(gè)描述符。此外，還介紹了Linux下usb接口驅(qū)動(dòng)的工作原理。本文介紹的方法能適應(yīng)于Linux下各種不同的USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)。