[導讀]Linux2.6環(huán)境下USB設備的驅動實現
0 引言
嵌入式linux系統環(huán)境以其易于移植裁減、內核小、效率高、完整、原代碼開放及性能優(yōu)異等特點，在嵌入式領域得到了非常廣泛的應用。Linux的USB設備端的源代碼中主要有USB device的海量存儲設備、串口設備、網絡設備等設備驅動程序及各種USB device控制器芯片的驅動程序。市場上USB設備控制器芯片種類繁多，大多數用戶需要針對特定應用來開發(fā)相關的USB設備控制器驅動程序，才能使設備正常工作在linux操作系統下。
1 USB設備端驅動系統
Linux Gadget子系統主要分為三層：第一層為芯片驅動層，負責將各種USB device控制器抽象為統一的函數接口，以供上層驅動程序調用；第二層主要是對操作函數的簡單封裝；第三層為設備驅動層，可根據系統的需求實現所對應的功能。圖1所示是Linux Gadget子系統的驅動層次。Linux Gadget子系統的設備驅動層主要根據各個類別的規(guī)范及協議實現各種設備的驅動，本設計需要使一個嵌入式設備擁有移動硬盤的功能，所以，可以根據海量存儲類的規(guī)范及協議來實現該功能。
1.1 UDC驅動的基本構架
圖2所示是UDC驅動的基本構架圖。在控制器驅動程序中，首先應注冊platform驅動，調用其probe函數搜索設備，并在probe函數內初始化usb_ep和usb_gadget等結構，然后注冊設備，并申請中斷，接著等待中斷進入中斷服務子程序，最后聲明和實現usb_gadget_register_driver注冊函數并輸出給上層驅動。在該過程中，聯系它們的紐帶是一些全局結構體變量。
1.2 Gadget API
Gadget API為Gadget系統定義了統一的數據結構和接口函數，它和主機端的USB Core地位類似，但功能僅限于提供編程接口，如用結構體usb_gadget_ops和usb_ep_ops對設備控制器驅動操作函數和端點操作函數進行重新封裝。比較特殊的是Gadget驅動程序注冊函數usb_gadget_register_driver，它們是由設備控制器(UDC)驅動直接提供的，用于將UDC綁定到gadget driver。這增加了Gadget Driver和UDC之間的依賴性。
在設備端，Gadget系統雖然類似主機驅動系統分了三層結構，但Gadget API只定義了一些數據結構、宏和功能函數，并對UDC驅動程序進行了簡單包裝，而沒有驅動管理等功能。
1.3設備應用驅動程序
設備端應用程序(Gadget Driver)用于控制USB設備功能的實現，使設備表現出“網絡連接”、“打印機”或“大容量存儲設備”等特性。本文以大容量移動存儲設備為例來實現移動硬盤的功能。
BULK ONLY傳輸指的是主機和大容量存儲設備之間的一種數據傳輸方式。
2設備端驅動調度
在嵌入式Linux操作系統中，Gadget driver和Gadget API可完成部分USB協議處理、BULK ONLY等傳輸協議以及指令的解析處理，用戶只需要在設備控制器驅動程序中完成部分USB協議處理和Gadget API的銜接工作。
圖3所示的流程圖給出了USB設備端驅動程序的基本調度思想。該方案的主要思路是被動的接受主機端的傳輸命令(任何類型的通信都由USB主機發(fā)起，USB設備間不能直接通信)，然后通過中斷觸發(fā)的方式完成主機端的數據傳輸。當產生設備端中斷時，設備控制器驅動程序首先判斷中斷類型。當其為批量傳輸端點IN中斷時，驅動程序會將該EP下鏈接的REQ中的數據依次寫入USB2.0 OTG IP的設備控制器的內存區(qū)；當其為批量傳輸OUT中斷時，驅動程序會將設備控制器內存區(qū)的數據讀入REQ中的buffer中；當其為端點0的控制傳輸中斷時，驅動程序將讀取端點緩沖區(qū)的數據，并解析當前的設備請求。如果主機傳輸給設備的設備請求為USB REO SEDRESS(設置設備地址)、USB_REQ_GET_STATUS(獲取設備狀態(tài))、USB_REQ_SET_FEATURE(設置設備特性)，設備控制器驅動程序會自行響應請求。但是，如果是其它設備請求，如GET_DESCRIPTOR(獲取設備描述符)時，設備控制器驅動便會將該請求提交給Gadget Driver，然后由Gadget Driver排隊將該設備請求提交給端點，以等待下次控制端點中斷。
控制傳輸比較復雜，它需要完成建立階段、數據傳輸階段和狀態(tài)階段。整個控制端點中斷的處理可通過四個狀態(tài)實現，分別是：端點0空閑(EP0_IDLE)、 數據IN傳輸(EP0 IN DATA_PHASE)、數據OUT傳輸(EP0 OUT DATA_PHASE)和狀態(tài)階段(EPO_STATUS)。
EP0_IDLE狀態(tài)主要處理建立階段的setup令牌，并根據獲得的設備請求處理能夠處理的設備請求，同時把不能處理的設備請求(如獲取設備描述符，配置描述符等)提交給上層Gadget Driver；EP0_OUT_DATA_PHASE狀態(tài)主要處理數據階段的OUT傳輸；EP0_OUT_DATA_PHASE狀態(tài)主要處理數據階段的IN傳輸；EP0_STATUS狀態(tài)則主要完成控制傳輸過程中的狀態(tài)階段。
在圖3所示的流程圖中，EP0為控制傳輸端點，EP1、EP2、EP3為批量傳輸端點，它們主要包括端點傳輸類型、端點緩沖區(qū)大小等信息。REQ為Gadget Driver提交的端點請求，主要包含傳輸的數據長度和地址。[!--empirenews.page--]
3 UDC的設計與實現
設備控制器驅動主要分為Gadget Driver接口模塊、Gadget API函數模塊、中斷處理模塊、數據結構定義、初始化模塊、硬件讀寫模塊等，各模塊可以單獨進行設計。
3.1 數據結構定義
根據Gadget API提供的數據結構，可以定義自己的數據結構(如設備數據結構otg_udc，端點數據結構otg_udc_ep等)來描述該USB設備控制器。
定義完特定的設備控制器驅動的數據結構后，再進行相應的映射(static struct otg_ip_udcmemory)，以便將具體的設備控制器、設備端點和Gadget的抽象數據結構聯系起來。
3.2 Gadget Driver接口模塊
UDC驅動提供有usb_gadget_driver_register模塊，該模塊可實usb_gadget_register_driver等綁定函數的功能，以綁定UDC和Gadget Driver。
3.3 Gadget API函數模塊
Linux USB gadget driver API定義了一個通用的gadget driver的接口，利用gadget driver可通過API與底層USB controller driver進行通信。該API屏蔽了底層硬件的不同，故可使gadget driver只注重功能的實現，而盡量與硬件無關。其代碼如下：
該模塊主要實現Gadget API定義的函數功能，如結構體usb_ep_ops和usb_gadget_ops中的函數，以及usb_gadget_register_driver注冊函數等。這些函數可供Gadget Driver調用。
3.4 中斷處理模塊
由于設備是被動的接受主機的控制，設備的所有行為都是基于設備中斷的觸發(fā)，因此，函數主要處理Reset中斷、Resume中斷、Suspend中斷、EP0中斷以及其他端口中斷。
3.5 初始化模塊
初始化主要是打開中斷、打開并設置端點、設置最大總線轉向時間(此時問即包間最大等待時間)，還要設置最大緩沖區(qū)長度等。
3.6 硬件讀寫模塊
和主機控制器驅動程序類似，設備控制器的讀寫方式分為PIO讀寫和DMA讀寫兩種模式，讀寫內容也分為寄存器讀寫和端點緩沖區(qū)讀寫。在讀寫過程中，所有讀寫地址都必須是雙字節(jié)對齊模式。
4 驅動測試結果
本文研究的HCD已經應用于實際的工程中，驅動測試的硬件環(huán)境如圖4所示。
本系統的硬件平臺是Realview EB，這是一個高度集成的開發(fā)板，其母板上的硬件資源包括：一個FPGA (Xilinx Virtex-II XC2V6000)、靜態(tài)和動態(tài)內存、集成外圍設備和兩個用于Core Tiles連接的tile連接器。設計時可通過增加一個額外的Core Tile(ARM926EJS CORE)來創(chuàng)建一個微處理系統。Logic Tile(Xilinx XC2V6000)中包含有一塊具有主機控制器功能的芯片otg_ip，otg_ip可通過片內總線AHB掛載在母板EB上。在該開發(fā)板上運行Linux系統時，可通過交叉編譯調試環(huán)境將開發(fā)報與一臺PC機相連，這樣，調試信息就可以通過串口打印在該主機的終端上。otg_ip可通過ULPI接口連接PHY芯片，并與USB設備相連。
設備控制器驅動模塊otg_ip_udc.ko和g_filestorage.ko成功加載后，再將其作為移動優(yōu)盤插入電腦主機的USB接口，驅動即可成功識別。圖5所示是內核打印的信息結果。
5 結束語
USB通用串行總線具有傳輸速率高、功耗低、可熱插拔和發(fā)展快速等優(yōu)點，而Linus操作系統則具有易于移植和裁減、內核小、效率高、原代碼開放等特點，本文通過將其結合而給出的Linux環(huán)境下的USB設備驅動方法，可以快速地實現大容量的存儲功能，實驗表明：該系統的數據讀寫速度可以達到681 kB／s，而且效果良好。
嵌入式linux系統環(huán)境以其易于移植裁減、內核小、效率高、完整、原代碼開放及性能優(yōu)異等特點，在嵌入式領域得到了非常廣泛的應用。Linux的USB設備端的源代碼中主要有USB device的海量存儲設備、串口設備、網絡設備等設備驅動程序及各種USB device控制器芯片的驅動程序。市場上USB設備控制器芯片種類繁多，大多數用戶需要針對特定應用來開發(fā)相關的USB設備控制器驅動程序，才能使設備正常工作在linux操作系統下。
1 USB設備端驅動系統
Linux Gadget子系統主要分為三層：第一層為芯片驅動層，負責將各種USB device控制器抽象為統一的函數接口，以供上層驅動程序調用；第二層主要是對操作函數的簡單封裝；第三層為設備驅動層，可根據系統的需求實現所對應的功能。圖1所示是Linux Gadget子系統的驅動層次。Linux Gadget子系統的設備驅動層主要根據各個類別的規(guī)范及協議實現各種設備的驅動，本設計需要使一個嵌入式設備擁有移動硬盤的功能，所以，可以根據海量存儲類的規(guī)范及協議來實現該功能。
1.1 UDC驅動的基本構架
圖2所示是UDC驅動的基本構架圖。在控制器驅動程序中，首先應注冊platform驅動，調用其probe函數搜索設備，并在probe函數內初始化usb_ep和usb_gadget等結構，然后注冊設備，并申請中斷，接著等待中斷進入中斷服務子程序，最后聲明和實現usb_gadget_register_driver注冊函數并輸出給上層驅動。在該過程中，聯系它們的紐帶是一些全局結構體變量。
1.2 Gadget API
Gadget API為Gadget系統定義了統一的數據結構和接口函數，它和主機端的USB Core地位類似，但功能僅限于提供編程接口，如用結構體usb_gadget_ops和usb_ep_ops對設備控制器驅動操作函數和端點操作函數進行重新封裝。比較特殊的是Gadget驅動程序注冊函數usb_gadget_register_driver，它們是由設備控制器(UDC)驅動直接提供的，用于將UDC綁定到gadget driver。這增加了Gadget Driver和UDC之間的依賴性。
在設備端，Gadget系統雖然類似主機驅動系統分了三層結構，但Gadget API只定義了一些數據結構、宏和功能函數，并對UDC驅動程序進行了簡單包裝，而沒有驅動管理等功能。
1.3設備應用驅動程序
設備端應用程序(Gadget Driver)用于控制USB設備功能的實現，使設備表現出“網絡連接”、“打印機”或“大容量存儲設備”等特性。本文以大容量移動存儲設備為例來實現移動硬盤的功能。
BULK ONLY傳輸指的是主機和大容量存儲設備之間的一種數據傳輸方式。
2設備端驅動調度
在嵌入式Linux操作系統中，Gadget driver和Gadget API可完成部分USB協議處理、BULK ONLY等傳輸協議以及指令的解析處理，用戶只需要在設備控制器驅動程序中完成部分USB協議處理和Gadget API的銜接工作。
圖3所示的流程圖給出了USB設備端驅動程序的基本調度思想。該方案的主要思路是被動的接受主機端的傳輸命令(任何類型的通信都由USB主機發(fā)起，USB設備間不能直接通信)，然后通過中斷觸發(fā)的方式完成主機端的數據傳輸。當產生設備端中斷時，設備控制器驅動程序首先判斷中斷類型。當其為批量傳輸端點IN中斷時，驅動程序會將該EP下鏈接的REQ中的數據依次寫入USB2.0 OTG IP的設備控制器的內存區(qū)；當其為批量傳輸OUT中斷時，驅動程序會將設備控制器內存區(qū)的數據讀入REQ中的buffer中；當其為端點0的控制傳輸中斷時，驅動程序將讀取端點緩沖區(qū)的數據，并解析當前的設備請求。如果主機傳輸給設備的設備請求為USB REO SEDRESS(設置設備地址)、USB_REQ_GET_STATUS(獲取設備狀態(tài))、USB_REQ_SET_FEATURE(設置設備特性)，設備控制器驅動程序會自行響應請求。但是，如果是其它設備請求，如GET_DESCRIPTOR(獲取設備描述符)時，設備控制器驅動便會將該請求提交給Gadget Driver，然后由Gadget Driver排隊將該設備請求提交給端點，以等待下次控制端點中斷。
控制傳輸比較復雜，它需要完成建立階段、數據傳輸階段和狀態(tài)階段。整個控制端點中斷的處理可通過四個狀態(tài)實現，分別是：端點0空閑(EP0_IDLE)、 數據IN傳輸(EP0 IN DATA_PHASE)、數據OUT傳輸(EP0 OUT DATA_PHASE)和狀態(tài)階段(EPO_STATUS)。
EP0_IDLE狀態(tài)主要處理建立階段的setup令牌，并根據獲得的設備請求處理能夠處理的設備請求，同時把不能處理的設備請求(如獲取設備描述符，配置描述符等)提交給上層Gadget Driver；EP0_OUT_DATA_PHASE狀態(tài)主要處理數據階段的OUT傳輸；EP0_OUT_DATA_PHASE狀態(tài)主要處理數據階段的IN傳輸；EP0_STATUS狀態(tài)則主要完成控制傳輸過程中的狀態(tài)階段。
在圖3所示的流程圖中，EP0為控制傳輸端點，EP1、EP2、EP3為批量傳輸端點，它們主要包括端點傳輸類型、端點緩沖區(qū)大小等信息。REQ為Gadget Driver提交的端點請求，主要包含傳輸的數據長度和地址。[!--empirenews.page--]
3 UDC的設計與實現
設備控制器驅動主要分為Gadget Driver接口模塊、Gadget API函數模塊、中斷處理模塊、數據結構定義、初始化模塊、硬件讀寫模塊等，各模塊可以單獨進行設計。
3.1 數據結構定義
根據Gadget API提供的數據結構，可以定義自己的數據結構(如設備數據結構otg_udc，端點數據結構otg_udc_ep等)來描述該USB設備控制器。
定義完特定的設備控制器驅動的數據結構后，再進行相應的映射(static struct otg_ip_udcmemory)，以便將具體的設備控制器、設備端點和Gadget的抽象數據結構聯系起來。
3.2 Gadget Driver接口模塊
UDC驅動提供有usb_gadget_driver_register模塊，該模塊可實usb_gadget_register_driver等綁定函數的功能，以綁定UDC和Gadget Driver。
3.3 Gadget API函數模塊
Linux USB gadget driver API定義了一個通用的gadget driver的接口，利用gadget driver可通過API與底層USB controller driver進行通信。該API屏蔽了底層硬件的不同，故可使gadget driver只注重功能的實現，而盡量與硬件無關。其代碼如下：
該模塊主要實現Gadget API定義的函數功能，如結構體usb_ep_ops和usb_gadget_ops中的函數，以及usb_gadget_register_driver注冊函數等。這些函數可供Gadget Driver調用。
3.4 中斷處理模塊
由于設備是被動的接受主機的控制，設備的所有行為都是基于設備中斷的觸發(fā)，因此，函數主要處理Reset中斷、Resume中斷、Suspend中斷、EP0中斷以及其他端口中斷。
3.5 初始化模塊
初始化主要是打開中斷、打開并設置端點、設置最大總線轉向時間(此時問即包間最大等待時間)，還要設置最大緩沖區(qū)長度等。
3.6 硬件讀寫模塊
和主機控制器驅動程序類似，設備控制器的讀寫方式分為PIO讀寫和DMA讀寫兩種模式，讀寫內容也分為寄存器讀寫和端點緩沖區(qū)讀寫。在讀寫過程中，所有讀寫地址都必須是雙字節(jié)對齊模式。
4 驅動測試結果
本文研究的HCD已經應用于實際的工程中，驅動測試的硬件環(huán)境如圖4所示。
本系統的硬件平臺是Realview EB，這是一個高度集成的開發(fā)板，其母板上的硬件資源包括：一個FPGA (Xilinx Virtex-II XC2V6000)、靜態(tài)和動態(tài)內存、集成外圍設備和兩個用于Core Tiles連接的tile連接器。設計時可通過增加一個額外的Core Tile(ARM926EJS CORE)來創(chuàng)建一個微處理系統。Logic Tile(Xilinx XC2V6000)中包含有一塊具有主機控制器功能的芯片otg_ip，otg_ip可通過片內總線AHB掛載在母板EB上。在該開發(fā)板上運行Linux系統時，可通過交叉編譯調試環(huán)境將開發(fā)報與一臺PC機相連，這樣，調試信息就可以通過串口打印在該主機的終端上。otg_ip可通過ULPI接口連接PHY芯片，并與USB設備相連。
設備控制器驅動模塊otg_ip_udc.ko和g_filestorage.ko成功加載后，再將其作為移動優(yōu)盤插入電腦主機的USB接口，驅動即可成功識別。圖5所示是內核打印的信息結果。
5 結束語
USB通用串行總線具有傳輸速率高、功耗低、可熱插拔和發(fā)展快速等優(yōu)點，而Linus操作系統則具有易于移植和裁減、內核小、效率高、原代碼開放等特點，本文通過將其結合而給出的Linux環(huán)境下的USB設備驅動方法，可以快速地實現大容量的存儲功能，實驗表明：該系統的數據讀寫速度可以達到681 kB／s，而且效果良好。
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