基于嵌入式Linux的USB設備驅動技術介紹

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，已在嵌入式領域迅速崛起，被國際上許多大型的跨國企業(yè)用作嵌入式產品的系統(tǒng)平臺。

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接口的最大特點是易于使用，這也是USB的主要設計目標。USB的成功得益于在USB標準中除定義了通信的物理層和電器層標準外。還定義了一套相對完整的軟件協(xié)議堆棧。這使得多數(shù)USB設備都很容易在各種平臺上工作。作為一種高速總線接口，USB適用于多種設備(如數(shù)碼相機、MP3播放器、高速數(shù)據(jù)采集設備等)。另外，USB接口還支持熱插拔，而且所有的配置過程都由系統(tǒng)自動完成，無須用戶干預。

1 Linux下的USB設備驅動

在Linux內核的不斷升級過程中，驅動程序的結構相對穩(wěn)定。由于USB設備也是外圍設備的一種，因此，它的驅動程序結構與普通設備的驅動程序相同。Linux系統(tǒng)的設備分為字符設備(CharDevice)和塊設備(BlockDevice)。字符設備支持面向塊字符的I／O操作，它不通過系統(tǒng)的快速緩存，而只支持順序存取。塊設備則支持面向塊的I／O操作，所有塊設備的I／O操作都通過在內核地址空間的I／O緩沖區(qū)進行，可以支持幾乎任意長度和任意位置上的I／O請求。塊設備與字符設備還有一點不同，就是塊設備必須能夠隨機存取(RandomAccess)，字符設備則沒有這個要求。典型的字符設備包括鼠標、鍵盤、串行口等，而塊設備主要包括硬盤軟盤設備、CD-Rom等。由于USB設備主要都是通過快速串行通訊來讀寫數(shù)據(jù)，因此一般都可作為字符設備來進行處理。

2 Linux下的USB core

2.1 Linux中USB core與USB的結構關系

Linux操作系統(tǒng)中有一個叫做“USB core”的子系統(tǒng)，可提供支持USB設備驅動程序的API和USB主機控制器的驅動程序。同時提供有許多數(shù)據(jù)結構、宏定義和功能函數(shù)來對硬件或設備進行支持。在Linux下編寫USB設備的驅動程序時，從嚴格意義上講，就是使用這些USB core的子系統(tǒng)所定義的數(shù)據(jù)結構、宏和函數(shù)來編寫數(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是一個宏，相當于module_init，只不過因為這部分代碼是核心，開發(fā)者通常把它看作一個子系統(tǒng)，而不僅僅是一個模塊。因為USB core模塊代表的不是某一個設備，而是所有USB設備賴以生存的模塊。因此，在Linux中，像這樣把一個類別的設備驅動歸結為一個子系統(tǒng)(比如PCI子系統(tǒng)、scsi子系統(tǒng)等)。基本上，drivers／目錄下面第一層的每個目錄都可算作一個子系統(tǒng)，因為它們代表了一類設備。一般地，usb_init是真正的初始化函數(shù)，而usb_exit()則是整個USB子系統(tǒng)結束時的清理函數(shù)：



函數(shù)usb_init主要完成初始化和注冊設備。

2.3 USB里的設備模型

Linux里一個很重要的概念是設備模型。對于驅動來說，設備的概念就是總線和與其相連的各種設備。在內核里，總線、設備、驅動也就是bus、device、driver是設備模型很重要的三個概念，它們都有自己專屬的結構。在include／linux／devide．h里的定義為：

struct bus_type {……}；
struct device {……)；
struct device_driver {……}；

每次出現(xiàn)一個設備都要向總線注冊，每次出現(xiàn)一個驅動，也要向總線注冊。系統(tǒng)初始化時，應掃描連接許多設備，并為每一個設備建立一個struct device的變量。每一次都應有一個驅動程序，并要準備一個struct device_driver結構的變量。還要把這些變量加入相應的鏈表(如把device插入devices鏈表，driver插入drivers鏈表)。這樣，通過總線就能找到每一個設備和每一個驅動。然而，假如計算機里只有設備卻沒有對應的驅動，那么設備將無法工作。反過來，倘若只有驅動卻沒有設備，驅動也起不了任何作用。對于USB設備，它可以在計算機啟動以后再插入或者拔出計算機。由于device可以在任何時刻出現(xiàn)，而driver也可以在任何時刻被加載，所以，每當一個struct device誕生時，它就會去BUS的drivers鏈表中尋找自己的另一半。如果找到了匹配的設備，就調用device_bind_driver，并綁定好。

Linux設備模型中的總線落實在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)語句注冊，而在driver.c文件里的定義如下：

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該函數(shù)的形參對應的就是總線兩條鏈表里的設備和驅動。當總線上有新設備和驅動時，這個函數(shù)就會被調用。

3 USB驅動程序的描述符

一個設備可以有多個接口，一個接口可代表一個功能，因此，每個接口都對應著一個驅動。例如一個USB設備有兩種功能，一個鍵盤，上面還帶一個揚聲器，這就是兩個接口，就需要兩個驅動程序，一個是鍵盤驅動程序，一個是音頻流驅動程序。

一個驅動程序是否支持一個設備，要通過讀取設備的描述符來判斷。那么，什么是USB的描述符呢?USB的描述符是一個帶有預定義格式的數(shù)據(jù)結構，里面保存有USB設備的各種屬性和相關信息，可以通過向設備請求獲得它們的描述符內容來深刻了解和感知一個USB設備。主要有四種USB描述符，分別為：接口描述符、端點描述符、設備描述符和配置描述符。

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

上述四個描述符分別放在了include／linux／usb．h文件中的struct usb_host_interface、structusb_host_endpoint、struct usb_device、struetusb_host_config里，而描述符結構體本身定義在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來表示。描述符結構體的定義應完全按照USB協(xié)議對描述符的規(guī)定來定義。

4 USB接口驅動

4.1 接口結構

平時編寫的USB驅動通常指的是寫USB接口的驅動，一個接口對應一個接口驅動程序，需要以一個struct usb_driver結構的對象為中心，并以設備的接口提供的功能為基礎，來進行USB驅動程序的編寫。struct usb_driver結構體一般定義在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為驅動程序的名字，對應于／sys／bus／usb／drivers／下面的子目錄名稱。它只是彼此區(qū)別的一個代號，這里的名字在所有的USB驅動中必須是唯一的。probe用來看看這個USB驅動是否愿意接受某個接口的函數(shù)。Disconnect函數(shù)將在接口失去聯(lián)系或使用rmmod卸載驅動將它和接口強行分開時被調用。Ioctl函數(shù)則用在驅動通過usbfs和用戶空間進行交流時使用。Suspend、esume分別在設備被掛起和喚醒時使用。pre_reset、post_reset分別在設備將要復位(reset)和已經復位后使用。id_table的變量可用來判斷是否支持某個設備接口。Dynids是支持動態(tài)id的。實際上，即使驅動已經加載了，也可以添加新的id給它。drvwrap是給USB core區(qū)分設備驅動和接口驅動用的。no_dynamic_id可以用來禁止動態(tài)id。supports_autosuspend可對autosuspend提供支持，如果設置為0，則不再允許綁定到這個驅動的接口autosuspend。

接口驅動

當insmod或modprobe驅動的時候，經過一個曲折的過程，就會調用相應USB驅動里的xxx_init函數(shù)，進而去調用usb_register ()，以將相應的USB驅動提交給設備模型，添加到USB總線的驅動鏈表里。當rmmod驅動時，同樣，在經過一個曲折的過程之后，再調用相應驅動里的xxx_cleanup函數(shù)，進而調用usb_deregister ()將相應的USB驅動從USB總線的驅動鏈表里刪除。

5 結束語

本文介紹了Linux下USB core的工作原理，同時介紹了驅動USB必須了解的四個描述符。此外，還介紹了Linux下usb接口驅動的工作原理。本文介紹的方法能適應于Linux下各種不同的USB設備驅動程序的開發(fā)。