Linux下USB core的工作原理及設備驅動(dòng)技術(shù)

Linux下USB core的工作原理及設備驅動(dòng)技術(shù)

Linux以其穩定、高效、易定制、硬件支持廣泛、源代碼開(kāi)放等特點(diǎn)，已在嵌入式領(lǐng)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(chǎn)品的系統平臺。



USB是Universal Serial Bus (通用串行總線(xiàn))的縮寫(xiě)，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(xiàn)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USB設備都很容易在各種平臺上工作。作為一種高速總線(xiàn)接口，USB適用于多種設備(如數碼相機、MP3播放器、高速數據采集設備等)。另外，USB接口還支持熱插拔，而且所有的配置過(guò)程都由系統自動(dòng)完成，無(wú)須用戶(hù)干預。



1 Linux下的USB設備驅動(dòng)



在Linux內核的不斷升級過(guò)程中，驅動(dòng)程序的結構相對穩定。由于USB設備也是外圍設備的一種，因此，它的驅動(dòng)程序結構與普通設備的驅動(dòng)程序相同。Linux系統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(guò)系統的快速緩存，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(guò)在內核地址空間的I／O緩沖區進(jìn)行，可以支持幾乎任意長(cháng)度和任意位置上的I／O請求。塊設備與字符設備還有一點(diǎn)不同，就是塊設備必須能夠隨機存取(RandomAccess)，字符設備則沒(méi)有這個(gè)要求。典型的字符設備包括鼠標、鍵盤(pán)、串行口等，而塊設備主要包括硬盤(pán)軟盤(pán)設備、CD-Rom等。由于USB設備主要都是通過(guò)快速串行通訊來(lái)讀寫(xiě)數據，因此一般都可作為字符設備來(lái)進(jìn)行處理。



2 Linux下的USB core



2.1 Linux中USB core與USB的結構關(guān)系



Linux操作系統中有一個(gè)叫做“USB core”的子系統，可提供支持USB設備驅動(dòng)程序的API和USB主機控制器的驅動(dòng)程序。同時(shí)提供有許多數據結構、宏定義和功能函數來(lái)對硬件或設備進(jìn)行支持。在Linux下編寫(xiě)USB設備的驅動(dòng)程序時(shí)，從嚴格意義上講，就是使用這些USB core的子系統所定義的數據結構、宏和函數來(lái)編寫(xiě)數據的處理功能。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子系統的初始化開(kāi)始。USB子系統的初始化則在文件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，相當于module_init，只不過(guò)因為這部分代碼是核心，開(kāi)發(fā)者通常把它看作一個(gè)子系統，而不僅僅是一個(gè)模塊。因為USB core模塊代表的不是某一個(gè)設備，而是所有USB設備賴(lài)以生存的模塊。因此，在Linux中，像這樣把一個(gè)類(lèi)別的設備驅動(dòng)歸結為一個(gè)子系統(比如PCI子系統、scsi子系統等)?；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，因為它們代表了一類(lèi)設備。一般地，usb_init是真正的初始化函數，而usb_exit()則是整個(gè)USB子系統結束時(shí)的清理函數：







函數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(gè)很重要的概念是設備模型。對于驅動(dòng)來(lái)說(shuō)，設備的概念就是總線(xiàn)和與其相連的各種設備。在內核里，總線(xiàn)、設備、驅動(dòng)也就是bus、device、driver是設備模型很重要的三個(gè)概念，它們都有自己專(zhuān)屬的結構。在include／linux／devide．h里的定義為：



struct bus_type {……}；

struct device {……)；

struct device_driver {……}；



每次出現一個(gè)設備都要向總線(xiàn)注冊，每次出現一個(gè)驅動(dòng)，也要向總線(xiàn)注冊。系統初始化時(shí)，應掃描連接許多設備，并為每一個(gè)設備建立一個(gè)struct device的變量。每一次都應有一個(gè)驅動(dòng)程序，并要準備一個(gè)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(guò)總線(xiàn)就能找到每一個(gè)設備和每一個(gè)驅動(dòng)。然而，假如計算機里只有設備卻沒(méi)有對應的驅動(dòng)，那么設備將無(wú)法工作。反過(guò)來(lái)，倘若只有驅動(dòng)卻沒(méi)有設備，驅動(dòng)也起不了任何作用。對于USB設備，它可以在計算機啟動(dòng)以后再插入或者拔出計算機。由于device可以在任何時(shí)刻出現，而driver也可以在任何時(shí)刻被加載，所以，每當一個(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備，就調用device_bind_driver，并綁定好。



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







該函數的形參對應的就是總線(xiàn)兩條鏈表里的設備和驅動(dòng)。當總線(xiàn)上有新設備和驅動(dòng)時(shí)，這個(gè)函數就會(huì )被調用。



3 USB驅動(dòng)程序的描述符



一個(gè)設備可以有多個(gè)接口，一個(gè)接口可代表一個(gè)功能，因此，每個(gè)接口都對應著(zhù)一個(gè)驅動(dòng)。例如一個(gè)USB設備有兩種功能，一個(gè)鍵盤(pán)，上面還帶一個(gè)揚聲器，這就是兩個(gè)接口，就需要兩個(gè)驅動(dòng)程序，一個(gè)是鍵盤(pán)驅動(dòng)程序，一個(gè)是音頻流驅動(dòng)程序。



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



協(xié)議規定：一個(gè)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(lái)描述設備的不同特性，但這四大描述符是一個(gè)都不能少的。USB設備里有一個(gè)eeprom，可用來(lái)存儲設備本身信息，設備的描述符就存儲在這里。



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(lái)表示。描述符結構體的定義應完全按照USB協(xié)議對描述符的規定來(lái)定義。



4 USB接口驅動(dòng)



4.1 接口結構



平時(shí)編寫(xiě)的USB驅動(dòng)通常指的是寫(xiě)USB接口的驅動(dòng)，一個(gè)接口對應一個(gè)接口驅動(dòng)程序，需要以一個(gè)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(lái)進(jìn)行USB驅動(dòng)程序的編寫(xiě)。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(dòng)程序的名字，對應于／sys／bus／usb／drivers／下面的子目錄名稱(chēng)。它只是彼此區別的一個(gè)代號，這里的名字在所有的USB驅動(dòng)中必須是唯一的。probe用來(lái)看看這個(gè)USB驅動(dòng)是否愿意接受某個(gè)接口的函數。Disconnect函數將在接口失去聯(lián)系或使用rmmod卸載驅動(dòng)將它和接口強行分開(kāi)時(shí)被調用。Ioctl函數則用在驅動(dòng)通過(guò)usbfs和用戶(hù)空間進(jìn)行交流時(shí)使用。Suspend、esume分別在設備被掛起和喚醒時(shí)使用。pre_reset、post_reset分別在設備將要復位(reset)和已經(jīng)復位后使用。id_table的變量可用來(lái)判斷是否支持某個(gè)設備接口。Dynids是支持動(dòng)態(tài)id的。實(shí)際上，即使驅動(dòng)已經(jīng)加載了，也可以添加新的id給它。drvwrap是給USB core區分設備驅動(dòng)和接口驅動(dòng)用的。no_dynamic_id可以用來(lái)禁止動(dòng)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(gè)驅動(dòng)的接口autosuspend。



接口驅動(dòng)



當insmod或modprobe驅動(dòng)的時(shí)候，經(jīng)過(guò)一個(gè)曲折的過(guò)程，就會(huì )調用相應USB驅動(dòng)里的xxx_init函數，進(jìn)而去調用usb_register ()，以將相應的USB驅動(dòng)提交給設備模型，添加到USB總線(xiàn)的驅動(dòng)鏈表里。當rmmod驅動(dòng)時(shí)，同樣，在經(jīng)過(guò)一個(gè)曲折的過(guò)程之后，再調用相應驅動(dòng)里的xxx_cleanup函數，進(jìn)而調用usb_deregister ()將相應的USB驅動(dòng)從USB總線(xiàn)的驅動(dòng)鏈表里刪除。



5 結束語(yǔ)



本文介紹了Linux下USB core的工作原理，同時(shí)介紹了驅動(dòng)USB必須了解的四個(gè)描述符。此外，還介紹了Linux下usb接口驅動(dòng)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(dòng)程序的開(kāi)發(fā)。