基于Linux的USB從設(shè)備驅(qū)動(dòng)研究

0 引言
    USB是英文Universal Serial Bus的縮寫，意為通用串行總線。USB是一種快速、雙向、同步、低成本、動(dòng)態(tài)可連接的串行接口。USB現(xiàn)在已經(jīng)廣泛應(yīng)用到各種設(shè)備上，尤其是手持設(shè)備，幾乎都采用了USB接口?，F(xiàn)在，USB即可用來與其他設(shè)備連接后高速地傳遞數(shù)據(jù)，又可用來充電，使手持設(shè)備可以發(fā)揮U盤、MODEM、無線網(wǎng)卡等作用。
    事實(shí)上，USB只是主機(jī)和外圍設(shè)備之間的連接。如何來促使這種連接發(fā)揮作用，就需要驅(qū)動(dòng)程序。驅(qū)動(dòng)程序主要解決硬件“需要提供什么功能”以及“如何使用這些功能”。在linux系統(tǒng)中，USB設(shè)備可以作為主機(jī)使用，也可作為從設(shè)備使用。對(duì)應(yīng)的USB驅(qū)動(dòng)程序有兩種主要的類型：宿主系統(tǒng)上的驅(qū)動(dòng)程序和設(shè)備上的驅(qū)動(dòng)程序。從宿主的觀點(diǎn)來看(例如普通的左桌面計(jì)算機(jī))，宿主系統(tǒng)的USB驅(qū)動(dòng)程序控制插入其中的USB設(shè)備，而USB設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序則控制該設(shè)備如何作為一個(gè)USB設(shè)備和主機(jī)通信。

1 USB設(shè)備基礎(chǔ)
    USB設(shè)備的構(gòu)成包括配置接口和端點(diǎn)，以及USB驅(qū)動(dòng)程序如何綁定到USB接口上。端點(diǎn)是USB通信最基本的形式，USB端點(diǎn)只能是往一個(gè)方向傳送數(shù)據(jù)，即從主機(jī)到設(shè)備(稱為輸出端點(diǎn))或者從設(shè)備到主機(jī)(稱為輸入端點(diǎn))，故可以看作是單向管道。USB有四種不同的類型，分別對(duì)應(yīng)不同的傳輸類型：控制、中斷、批量、等時(shí)。其次接口，USB端點(diǎn)被綁定即為接口。USB的一個(gè)接口只處理一種USB邏輯連接；一個(gè)USB設(shè)備可以有多個(gè)接口，不同的接口可以代表不同的功能，因此，功能不同的USB接口需要不同的驅(qū)動(dòng)程序。另外就是配置，USB接口本身被綁定為配置。一個(gè)USB設(shè)備可以有多個(gè)配置，而且可以在配置之間切換以改變?cè)O(shè)備的狀態(tài)；一個(gè)時(shí)刻只能激活一個(gè)配置，怛一個(gè)配置通常具有一個(gè)或者更多的接口。
    USB設(shè)備可由許多不同的邏輯單元組成，實(shí)際上，也就是這三種邏輯單元組合而成的。Linux內(nèi)核中的USB代碼一般要用URB (usbrequst block)與USB設(shè)備通信。URB用struct urb結(jié)構(gòu)體描述，它能以一種異步的方式往／從特定的USB端點(diǎn)發(fā)送／接收數(shù)據(jù)。USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序可能會(huì)為單個(gè)端點(diǎn)分配許多的URB，也可能對(duì)許多不同的端點(diǎn)重用單個(gè)URB，這取決于驅(qū)動(dòng)的需要。當(dāng)USB驅(qū)動(dòng)程序只發(fā)送或接收一些簡單的USB數(shù)據(jù)時(shí)，可以使用兩個(gè)很簡單的接口函數(shù)：usb_bulk_msg、usb_control_msg。

2 USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的結(jié)構(gòu)
    圖1所示是Linux環(huán)境下USB驅(qū)動(dòng)的總體結(jié)構(gòu)。從圖l中可以看到：在主機(jī)側(cè)層次結(jié)構(gòu)中，實(shí)現(xiàn)USB驅(qū)動(dòng)有兩類方式：USB主機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)和USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)；USB主機(jī)控制驅(qū)動(dòng)主要控制插入其中的USB設(shè)備，主機(jī)控制器可以分為三類，分別對(duì)應(yīng)于三種USB主控制器；USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)則用于控制USB設(shè)備如何與主機(jī)通信；USB核心負(fù)責(zé)USB驅(qū)動(dòng)管理和協(xié)議處理的主要工作。

    USB核心向上可為設(shè)備驅(qū)動(dòng)提供編程接口，向下可為USB主機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)提供編程接口；它可以通過全局變量維護(hù)整個(gè)系統(tǒng)的USB設(shè)備信息，從而完成設(shè)備的熱插拔控制和總線數(shù)據(jù)傳輸控制等驅(qū)動(dòng)。
    另外，在從設(shè)備側(cè)，Linux內(nèi)核中的USB設(shè)備側(cè)驅(qū)動(dòng)程序可分為3個(gè)層次：USB設(shè)備控制器(UDC)驅(qū)動(dòng)程序、Gadget API和Gadget驅(qū)動(dòng)程序；UDC驅(qū)動(dòng)程序可直接訪問硬件，控制USB設(shè)備和主機(jī)間的底層通信，并向上層提供和硬件相關(guān)的操作回調(diào)函數(shù)。不同的設(shè)備控制器硬件有不同的設(shè)備控制器驅(qū)動(dòng)程序；Gadget驅(qū)動(dòng)主要控制USB設(shè)備功能的實(shí)現(xiàn)，它使用Gadget API傳遞控制信息給UDC驅(qū)動(dòng)程序，以便實(shí)現(xiàn)具體功能。
    Gadget API是設(shè)備控制器的控制功能抽象接口，Gadget驅(qū)動(dòng)程序可以試用Gadget API，它可以把下層的UDC驅(qū)動(dòng)程序和上層Gadget驅(qū)動(dòng)程序相隔離，以使得在linux系統(tǒng)中編寫USB設(shè)備側(cè)驅(qū)動(dòng)程序時(shí)，能夠把功能的實(shí)現(xiàn)和底層通信相分離。
    如果要在S3c24．10上實(shí)現(xiàn)大存儲(chǔ)類從設(shè)備，則需要運(yùn)行file_storage．c和s3c2410_udc．c這兩個(gè)驅(qū)動(dòng)程序。file_stoarge．c具體控制USB設(shè)備功能的實(shí)現(xiàn)，它使用Gadget API來控制s3c2410．c以實(shí)現(xiàn)其功能。s3c2410．c驅(qū)動(dòng)程序可直接訪問硬件，以控制USB設(shè)備和主機(jī)間的底層通信，同時(shí)向上層提供和硬件相關(guān)操作的回調(diào)函數(shù)。

3 USB從設(shè)備驅(qū)動(dòng)
    驅(qū)動(dòng)程序完成的功能包括初始化設(shè)備、為各類設(shè)備提供服務(wù)、負(fù)責(zé)內(nèi)核與設(shè)備間的數(shù)據(jù)交換、以及檢測和處理設(shè)備工作過程中出現(xiàn)的錯(cuò)誤等。
    基于完成這些功能，每個(gè)驅(qū)動(dòng)程序都需要注冊(cè)和注銷，這樣，內(nèi)核才能知道有這個(gè)驅(qū)動(dòng)的存在或者驅(qū)動(dòng)的卸載。下面是兩個(gè)最基本的模塊：
    module_init(usb_skel_init)；
    module_exit(usb_skel_exit)；
對(duì)于USB從設(shè)備而言，結(jié)構(gòu)USB_gadget就可以代表。Gadget通過“Gadget驅(qū)動(dòng)程序”來實(shí)現(xiàn)設(shè)備功能，處理所有的USB配置和接口。通過操作函數(shù)集，Gadget驅(qū)動(dòng)程序與硬件特定代碼間接通信。它將Gadget驅(qū)動(dòng)程序與那個(gè)硬件細(xì)節(jié)隔開，并通過I／O隊(duì)列包裝硬件端點(diǎn)。 “usb_gadget”“usb_ep”接口則可提供對(duì)硬件的隔離。
    其結(jié)構(gòu)usb＿gadget的代碼如下：

    結(jié)構(gòu)usb_gadget_ops是USB設(shè)備控制期的設(shè)備控制函數(shù)集，其操作包括get_frames、wakeup、pullop、ioctl等。結(jié)構(gòu)struct usb_ep是USB端點(diǎn)從設(shè)備側(cè)的代表，總線控制器驅(qū)動(dòng)程序中列出了在gadget－>ep_list里所有的通用端點(diǎn)，但控制端點(diǎn)不在列表中，它僅在回應(yīng)驅(qū)動(dòng)程序的setup 0 回調(diào)函數(shù)時(shí)才被訪問，其代碼如下：

   
4 結(jié)束語
    本文主要通過在S3C2401上實(shí)現(xiàn)USB從設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序，介紹了USB從設(shè)備驅(qū)動(dòng)的研究方法。Linux作為一個(gè)開源操作系統(tǒng)，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)有著其它操作系統(tǒng)不可比擬的優(yōu)勢，大量的開放源代碼無疑可以加速USB從設(shè)備驅(qū)動(dòng)，并使其應(yīng)用更加廣泛。因此，USB作為一種新型的高速外設(shè)總線，它必將更加促進(jìn)linux系統(tǒng)源碼的開發(fā)和完善，同時(shí)亦會(huì)促進(jìn)自身的更廣泛的應(yīng)用。