基于AT91RM9200的USB主機(jī)端Linux驅(qū)動(dòng)

通用串行總線(USB)是一種新興的計(jì)算機(jī)外圍串行通信接口標(biāo)準(zhǔn)，它克服傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)串／并口的缺陷，具有熱插拔、即插即用、數(shù)據(jù)傳輸可靠、擴(kuò)展方便、低成本等優(yōu)點(diǎn)，已成為當(dāng)前計(jì)算機(jī)必備的接口之一，同時(shí)也被廣泛地應(yīng)用與嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中。本文著重介紹嵌入式Linux中的USB主機(jī)端驅(qū)動(dòng)。其硬件平臺(tái)是AT91RM9200處理器系統(tǒng)，軟件平臺(tái)是Linux-2.6.19.2內(nèi)核。

1 AT91RM9200 USB主機(jī)端接口硬件構(gòu)成

AT91RM9200處理器是Atmel公司一款比較流行的微型處理器，它具有ARM920T內(nèi)核(帶有MMU)，主時(shí)鐘頻率可達(dá)240 MHz，很適合嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，它同時(shí)具有USB主機(jī)端和設(shè)備端，其中主機(jī)端處理開(kāi)HCI協(xié)議(OHCI)及USB v2.0全速與低速協(xié)議，還給ASB提供簡(jiǎn)單的讀／寫(xiě)協(xié)議，USB主機(jī)端口還集成1個(gè)根集線器，硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 Linux USB主機(jī)端驅(qū)動(dòng)

Linux在1999年就在其核心內(nèi)嵌入了USB驅(qū)動(dòng)程序。理解Linux的USB主機(jī)端驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)和原理，對(duì)在Linux系統(tǒng)上開(kāi)發(fā)USB設(shè)備端驅(qū)動(dòng)程序，以及進(jìn)一步理解USB協(xié)議有著很重要的意義。下面基于內(nèi)核版本2.6.19.2分析Linux USB的主機(jī)端驅(qū)動(dòng)。

Linux USB主機(jī)端驅(qū)動(dòng)主要分為：主機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)、USB核心驅(qū)動(dòng)和USB設(shè)備端驅(qū)動(dòng)3個(gè)部分，它們之間的層次關(guān)系如圖2所示。

在Linux內(nèi)核中關(guān)于USB的代碼主要由2個(gè)部分構(gòu)成：板級(jí)支持代碼和USB驅(qū)動(dòng)代碼。其中板極支持代碼主要分布在與處理器有關(guān)的目錄里，如：／arch／arm／mach-at91rm9200目錄。USB驅(qū)動(dòng)代碼主要集中在／drivers／usb目錄里，主要包括USB核心驅(qū)動(dòng)，主機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)，從機(jī)端驅(qū)動(dòng)，各類(lèi)設(shè)備端驅(qū)動(dòng)程序。其中在Atmel的板極支持代碼／arch／arm／mach-at91rm9200／devices.c中包括USB主機(jī)端和從機(jī)端資源的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)at91_usbh_re-sources，at91_udc_resources，平臺(tái)設(shè)備數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)at91rm9200_usbh_device，at91rm9200_udc_device，以及設(shè)備注冊(cè)函數(shù)at91_add_device_usbh()，at91_add_device_udc()，這2個(gè)函數(shù)在板極初始化函數(shù)中被調(diào)用，向內(nèi)核添加USB主機(jī)設(shè)備和從機(jī)設(shè)備。USB驅(qū)動(dòng)的核心代碼是在／drivers／usb／core目錄里，主要的作用是管理設(shè)備端驅(qū)動(dòng)程序、控制協(xié)議命令集、管理數(shù)據(jù)傳輸、配置和管理USB設(shè)備、管理主機(jī)控制器。USB核心啟動(dòng)代碼在目錄／drivers／usb／core／usb.c中，具體的步驟如圖3所示。

USB核心啟動(dòng)以后的結(jié)果是：注冊(cè)1條總線“usb”，1個(gè)文件系統(tǒng)“usbfs”，創(chuàng)建2個(gè)設(shè)備類(lèi)“usb_host”，“usb_device”，創(chuàng)建了許多的字符設(shè)備節(jié)點(diǎn)，分別是主設(shè)備號(hào)為180，從設(shè)備號(hào)是0～255，主設(shè)備號(hào)為189，從設(shè)備號(hào)為0～64×128，注冊(cè)3個(gè)驅(qū)動(dòng)程序：“usbfs”,“hub”，“usb”。創(chuàng)建一個(gè)內(nèi)核線程“khubd”，PID=40，一旦有USB設(shè)備接入，這個(gè)內(nèi)核線程就能捕捉到，并調(diào)用相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)探測(cè)函數(shù)。這些內(nèi)容在系統(tǒng)啟動(dòng)以后根文件系統(tǒng)的／sys或／proc相關(guān)目錄下可以找到。Linux USB主機(jī)端驅(qū)動(dòng)涉及的主要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)有：

usb_driver：USB接口驅(qū)動(dòng)程序結(jié)構(gòu)體；

usb_device_driver：USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序結(jié)構(gòu)體；

usb_bus：USB總線結(jié)構(gòu)體；

usb_device：USB設(shè)備結(jié)構(gòu)體；

urb：USB請(qǐng)求結(jié)構(gòu)體。

在每個(gè)USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序里都有1個(gè)設(shè)備表usb_device_id，用來(lái)保存此設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序所支持的USB設(shè)備，如U盤(pán)驅(qū)動(dòng)程序的ID表名為usb_storage_ids，如果有些USB設(shè)備的驅(qū)動(dòng)Linux內(nèi)核并不支持，就可以把這些USB設(shè)備的數(shù)據(jù)(包括設(shè)備供應(yīng)商編號(hào)、產(chǎn)品編號(hào)、供應(yīng)商名稱(chēng)、產(chǎn)品名稱(chēng)、USB協(xié)議、初始化函數(shù)、標(biāo)記等，這些信息的獲取不依賴于特定的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，設(shè)備接入后可以從根文件系統(tǒng)的目錄／proc中查看到)添加到相關(guān)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的usb_device_ids中去，如U盤(pán)的驅(qū)動(dòng)程序設(shè)備表id_storage_ids在內(nèi)核頭文件／drivers／usb／storage／unusual_devs.h中。每當(dāng)有USB設(shè)備接入系統(tǒng)，USB內(nèi)核的執(zhí)行步驟如圖4所示：

在device-add()函數(shù)中內(nèi)核將該USB設(shè)備添加到USB總線上，并調(diào)用USB總線的匹配函數(shù)usb_device_match()尋找這個(gè)設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序，最終將該設(shè)備與匹配的驅(qū)動(dòng)程序綁定。

3 U盤(pán)設(shè)備驅(qū)動(dòng)示例

U盤(pán)是USB存儲(chǔ)器的通稱(chēng)，在內(nèi)核中被定義為USBMass Storage，除了默認(rèn)配置以外，要在Linux中使用U盤(pán)還必須完成以下步驟：

(1)SCSl支持

U盤(pán)屬于海量存儲(chǔ)設(shè)備，Linux將它定義為SCSI塊設(shè)備，所以必須要配置這個(gè)選項(xiàng)。內(nèi)核配置選項(xiàng)如下：

(2)Windows文件系統(tǒng)支持

U盤(pán)可能大都是Windows下的文件格式，所以這里有必要選上對(duì)Windows下文件格式和語(yǔ)言的支持。內(nèi)核配置選項(xiàng)如下：

(3)USB驅(qū)動(dòng)支持

USB驅(qū)動(dòng)主要包括對(duì)USB主機(jī)端的支持、USB文件系統(tǒng)、OHCI協(xié)議、USB Mass Storage的支持。內(nèi)核配置選項(xiàng)如下：

(4)在／dev目錄下新建sda設(shè)備節(jié)點(diǎn)

為了能夠順利地訪問(wèn)USB設(shè)備，必須在／dev目錄下建立相應(yīng)的設(shè)備節(jié)點(diǎn)。由于U盤(pán)被定義為塊設(shè)備，所以必須建立SCSI塊設(shè)備節(jié)點(diǎn)，命令如下：

mknod-m 600 sda*b8*

這里的“*”根據(jù)不同的系統(tǒng)而不同。假如有很多的SCSI設(shè)備則需要建立許多的sda*設(shè)備節(jié)點(diǎn)，至于U盤(pán)具體是哪一個(gè)設(shè)備節(jié)點(diǎn)，則需要根據(jù)fdisk命令來(lái)查詢。

(5)安裝U盤(pán)

將U盤(pán)插入后，首先我們可以通過(guò)fdisk-1命令看到U盤(pán)的信息(包括該U盤(pán)是第幾個(gè)SCSI塊設(shè)備節(jié)點(diǎn)，容量是多少等等)，然后通過(guò)命令mount-t vfat／dev／sda*／mnt／usb(前提是已經(jīng)在／mnt目錄下建立了usb目錄，并且U盤(pán)的格式為Windows下的vfat)安裝U盤(pán)到指定的目錄下。這里的“*”由fdisk命令顯示的內(nèi)容來(lái)定。

(6)運(yùn)行結(jié)果

先將U盤(pán)插入主機(jī)端接口，再啟動(dòng)系統(tǒng)，就會(huì)打印出以下相關(guān)的信息：

根文件系統(tǒng)啟動(dòng)以后，可以通過(guò)cat命令顯示該U盤(pán)的相關(guān)信息，如：／cat／proc／bus／usb／devices。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著USB接口越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，USB-IF在2000年推出了USB 2.0規(guī)范。USB 2.0規(guī)范在兼容USB 1.X規(guī)范的基礎(chǔ)上支持480 Mb／s的高速數(shù)據(jù)傳輸。同時(shí)隨著Linux內(nèi)核的不斷擴(kuò)充，內(nèi)核將支持越來(lái)越多的USB設(shè)備和USB主機(jī)控制器，這對(duì)于USB的普及和應(yīng)用有很重要的意義。