嵌入式Linux下USB驱动程序的设计，不看肯定后悔

　　一、引言
　　USB（Universal Serial Bus）即通用串行总线，是一种全新的双向同步传输的支持热插拔的数据传输总线，其目的是为了提供一种兼容不同速度的、可扩充的并且使用方便的外围设备接口，同时也是为了解决计算机接口的太多的弊端而设计的。一个USB系统主要有三部分组成：USB互连、USB主机、USB设备三部分组成的，其结构如图1所示。在编写USB设备驱动程序设计时，可以分为三部分编写：主机端设备驱动程序、主机控制器驱动程序设计和设备端驱动程序三部分，在本文中重点介绍主机端驱动程序的设计。
　　二、USB设备驱动程序的设计
　　USB设备驱动程序的设计包括主机端设备驱动程序设计、主机控制器驱动程序设计和设备端驱动程序设计三部分组成。主机端设备驱动程序就是通常说的设备驱动程序，它是主机环境中为用户应用程序提供一个访问USB外设的接口。Linux为这部分驱动程序提供编程接口，驱动程序设计者只要按照需求编写驱动程序框架，通过调用操作系统提供的API接口函数可以完成对USB外设的特定访问。
　　主机控制驱动主要是对USB主机控制器的驱动，在大多数PC环境下，主机控制器都是由操作系统提供。嵌入式设备一般都没有USB主机控制器，只是工作在Slave模式下。如果要使USB具有主机功能，那么设备中需要选用一个带主机控制器的USB接口控制芯片， 同时自己还要有实现该主机控制器的驱动程序。目前Linux内核中只提供USB主机控制器的开放主机控制器和通用主机控制器接口两种规格，而这两种规格主要用在PC架构中。USB主机端驱动程序与主机控制器的结构如图2所示。其中USB核是Linux的一个子模块，集中定义了一组USB相关的数据结构、宏以及API函数。
　　USB设备驱动程序是常说的设备固件程序的一部分，提供设备信息与主机的通信接口。设备端USB驱动程序设计由以下几部分处理程序组成。初始化例程：完成描述符指针、端点、配置改变等操作。数据传输例程：完成控制传输、批量传输、中断传输及同步传输等传输方式下的数据收发工作。标准设备处理请求：处理标准设备请求。厂商请求处理：处理生产商指定请求。其他操作：处理主机发出的端口复位、配置改变等操作。
　　1.USB设备驱动程序框架
　　USB驱动程序首先要向Linux内核注册自己，并告诉系统它所支持的设备类型以及它所支持的操作。这些信息通过一个u***_driver结构来传递。u***_driver结构如下：
　　static struct u***_driver skel_driver = {
　　name： “skeleton”；/*驱动程序的名称*/
　　probe： skel_probe； /*设备列举时被调用*/
　　disconnect： skel_disconnect； /*设备被卸载时被调用*/
　　fops： &skel_fops； /*指向一个file_operation结构，内核通过它来访问驱动程序的文件操作函数，与用户程序的read、write等操作进行交互*/
　　minor USB_SKEL_MINOR_BASE； /*指向设备的次设备号，用于系统识别主设备号相同的设备（即一个驱动程序可以同时支持多个USB设备*/
　　id_table： skel_table； /*保存设备的厂商ID和产品ID，作为该设备的唯一标识，驱动程序向系统注册后，当下次插入时，系统根据这个标识查找正确的驱动程序，实现设备的即插即用*/
　　};
　　static struct file_operation skel_fops={
　　{
　　owner:THIS_module，
　　read:skel_read，
　　write:skel_write，
　　ioctl:skel_ioctl，
　　open:skel_open，
　　release:skel_release，
　　};
　　（1）注册和注销
　　USB驱动程序注册，就是把在初始化函数中填好的use_driver结构作为参数传递给
　　use_register（）函数即可，函数的调用方法为：
　　result=u***_register（&skel_driver）;
　　当要从系统卸载驱动程序时，也是将use_driver结构作为参数传递给u***_deregister 函数处理。 函数的调用格式为：
　　static void __exit u***_skel_exit（void）
　　{ /* deregister this driver with the USB subsystem */
　　u***_deregister（&skel_driver）;
　　}
　　module_exit（u***_skel_exit）;
　　当USB设备插入时，为了使linux-hotplug（Linux中PCI、USB等设备热插拔支持）系统自动装载驱动程序，需要创建一个MODULE_device_TABLE。核心代码如下（这个模块仅支持某一特定设备）：
　　/* table of Devices that work with this driver */
　　static struct u***_device_id skel_table ［］ = {
　　{ USB_DEVICE（USB_SKEL_VENDOR_ID，
　　USB_SKEL_Product_ID） }，
　　{ } /* Terminating entry */
　　};
　　MODULE_DEVICE_TABLE （u***， skel_table）;
　　USB_DEVICE宏利用厂商ID和产品ID提供了一个设备的唯一标识。当系统插入一个ID匹配的USB设备到USB总线时，驱动会在USB core中注册，驱动程序中probe 函数也就会被调用。u***_device 结构指针、接口号和接口ID都会被传递到函数中。
　　（2）probe（）函数
　　probe（）函数的编写格式为：static void * skel_probe（struct u***_device *dev， unsigned int ifnum， const struct u***_device_id *id）；驱动程序需要确认插入的设备是否可以被接受，如果不接受，或者在初始化的过程中发生任何错误，probe（）函数返回一个NULL值。否则返回一个含有设备驱动程序状态的指针，通过这个指针，就可以访问所有结构中的回调函数。
　　在驱动程序里，最后一点是要注册devfs（设备文件系统）。首先创建一个缓冲用来保存那些被发送给USB设备的数据和那些从设备上接受的数据，并为设备传输创建一个USB请求块（URB）以向设备写入数据，同时USB urb 被初始化，然后在devfs子系统中注册设备，允许devfs用户访问USB的设备。注册过程如下：
　　/* initialize the devfs node for this device and register it */
　　sprintf（name， “skel%d”， skel-》minor）;
　　skel-》devfs = devfs_register （u***_devfs_handle， name， DEVFS_FL_DEFAULT， USB_MAJOR， USB_SKEL_MINOR_BASE + skel-》minor， S_IFCHR | S_IRUSR | S_IWUSR | S_IRGRP | S_IWGRP | S_IROTH， &skel_fops， NULL）;
　　如果devfs_register函数失败， devfs子系统会将此情况报告给用户。如果设备从USB总线拔掉，设备指针会调用disconnect 函数。驱动程序就需要清除那些被分配了的所有私有数据、关闭urbs，并且从devfs上注销调自己。调用函数的格式为：
　　/* remove our devfs node */
　　devfs_unregister（skel-》devfs）;
　　现在，skeleton驱动就已经和设备绑定上了，任何用户态程序要操作此设备都可以通过file_operations结构所定义的函数进行了。
　　（3）open（）、write（）和read（）函数
　　首先，要打开此设备。在open（）函数中MODULE_INC_USE_COUNT 宏是一个关键，它起到一个计数的作用，有一个用户态程序打开一个设备，计数器就加1。例如，以模块方式加入一个驱动，若计数器不为零，就说明仍然有用户程序在使用此驱动，这时候，就不能通过rmmod命令卸载驱动模块了。
　　/* increment our usage count for the module */
　　MOD_INC_USE_COUNT;
　　++skel-》open_count;
　　/* save our object in the file‘s private structure */
　　file-》private_data = skel;
　　当open完设备后，read（）、write（）函数就可以收、发数据了。
　　read（）函数首先从open（）函数中保存的fi。
　　Write（）函数和read（）函数是完成驱动对读写等操作的响应。在skel_write中，一个FILL_BULK_URB函数，就完成了urb 系统callbak和的skel_write_bulk_callback之间的联系。注意skel_write_bulkcallback是中断方式，所以要注意时间不能太久，本程序中它就只是报告一些urb的状态等。 read 函数与write 函数稍有不同在于：程序并没有用urb 将数据从设备传送到驱动程序，而是用u***_bulk_msg 函数代替，这个函数能够不需要创建urbs 和操作urb函数的情况下，来发送数据给设备，或者从设备来接收数据。调用u***_bulk_msg函数并传到一个存储空间，用来缓冲和放置驱动收到的数据，若没有收到数据表示失败并返回一个错误信息。
　　u***_bulk_msg函数：当对u***设备进行一次读或者写时，u***_bulk_msg 函数是非常有用的; 然而， 当需要连续地对设备进行读/写时，应建立一个自己的urbs，同时将urbs 提交给USB子系统。
　　skel_disconnect函数：当释放设备文件句柄时，这个函数会被调用。
　　MOD_DEC_USE_COUNT宏也会被调用到（和MOD_INC_USE_COUNT刚好对应，它减少一个计数器），首先确认当前是否有其他的程序正在访问这个设备，如果是最后一个用户在使用，可以关闭任何正在发生的写，操作如下：
　　/* decrement our usage count for the device */
　　--skel-》open_count;
　　if （skel-》open_count /* shutdown any bulk writes that might be
　　going on */
　　u***_unlink_urb （skel-》write_urb）;
　　skel-》open_count = 0;
　　}
　　/* decrement our usage count for the module */
　　MOD_DEC_USE_COUNT;
　　USB设备可以在任何时间点从系统中取走，即使程序目前正在访问它。USB驱动程序必须要能够很好地处理解决此问题，它需要能够切断任何当前的读写，同时通知用户空间程序：USB设备已经被取走。
　　2.设计实例
　　下面通过介绍键盘飞梭驱动程序的实例来让读者更好的理解USB驱动程序的工作原理，实现代码如下：
　　/*需要的头文件*/
　　#include
　　#include
　　#include
　　#include
　　#include
　　#include
　　#include
　　/* 驱动程序版本信息*/
　　#define DRIVER_VERSION “”
　　#define DRIVER_AUTHOR “ TGE HOTKEY ”
　　#define DRIVER_DESC “USB HID Tge hotkey driver”
　　#define USB_HOTKEY_VENDOR_ID 0x07e4
　　#define USB_HOTKEY_PRODUCT_ID 0x9473
　　/*厂商和产品ID信息就是/proc/bus/u***/devices中看到的值，通过cat/proc/bus/u***/devices得到当前系统探测到的USB总线上的设备信息。它包括Vendor、ProdID、Product等*/
　　MODULE_AUTHOR（ DRIVER_AUTHOR ）;
　　MODULE_DESCRIPTION（ DRIVER_DESC ）;
　　/*此结构来自内核中drivers/u***/u***kbd.c*/
　　struct u***_kbd {
　　struct input_dev dev;
　　struct u***_device *u***dev;
　　unsigned char new［8］;
　　unsigned char old［8］;
　　struct urb irq， led;
　　struct u***_ctrlrequest dr;
　　unsigned char leds， newleds;
　　char name［128］;
　　int open;
　　};
　　static void u***_kbd_irq（struct urb *urb） /*urb为USB请求块*/
　　{
　　struct u***_kbd *kbd = urb-》context;
　　int *new;
　　new = （int *） kbd-》new;
　　if（kbd-》new［0］ == （char）0x01）
　　{
　　if（（（kbd-》new［1］》》4）&0x0f）！=0x7）
　　{
　　handle_scancode（0xe0，1）;
　　handle_scancode（0x4b，1）;
　　handle_scancode（0xe0，0）;
　　handle_scancode（0x4b，0）;
　　}
　　else
　　{ handle_scancode（0xe0，1）;
　　handle_scancode（0x4d，1）;
　　handle_scancode（0xe0，0）;
　　handle_scancode（0x4d，0）;
　　}
　　}
　　printk（“new=%x %x %x %x %x %x %x %x”， kbd-》new［0］，kbd-》new［1］，kbd-》new［2］，kbd-》new［3］，
　　kbd-》new［4］，kbd-》new［5］，kbd-》new［6］，kbd-》new［7］）;
　　}
　　static void *u***_kbd_probe（struct u***_device *dev， unsigned int ifnum， const struct u***_device_id *id）
　　{
　　struct u***_interface *iface;
　　struct u***_interface_descriptor *interface;
　　struct u***_endpoint_descriptor *endpoint;
　　struct u***_kbd *kbd;
　　int pipe， maxp;
　　iface = &dev-》actconfig-》interface［ifnum］;
　　interface = &iface-》altsetting［iface-》act_altsetting］;
　　if （（dev-》descriptor.idVendor ！= USB_HOTKEY_VENDOR_ID） || （dev-》descriptor.idProduct ！= USB_HOTKEY_PRODUCT_ID） || （ifnum ！= 1））
　　{
　　return NULL;
　　}
　　if （dev-》actconfig-》bNumInterfaces ！= 2）
　　{
　　return NULL;
　　}
　　if （interface-》bNumEndpoints ！= 1） return NULL;
　　endpoint = interface-》endpoint + 0;
　　pipe = u***_rcvintpipe（dev， endpoint-》bEndpointAddress）;
　　maxp = u***_maxpacket（dev， pipe， u***_pipeout（pipe））;
　　u***_set_protocol（dev， interface-》bInterfaceNumber， 0）;
　　u***_set_idle（dev， interface-》bInterfaceNumber， 0， 0）;
　　printk（KERN_INFO “GUO： Vid = %.4x， Pid = %.4x， Device = %.2x， ifnum = %.2x， bufCount = %.8x//n”， dev-》descriptor.idVendor，dev-》descriptor.idProduct，dev-》descriptor.bcdDevice， ifnum， maxp）;
　　if （！（kbd = kmalloc（sizeof（struct u***_kbd）， GFP_KERNEL））） return NULL;
　　memset（kbd， 0， sizeof（struct u***_kbd））;
　　kbd-》u***dev = dev;
　　FILL_INT_URB（&kbd-》irq， dev， pipe， kbd-》new， maxp 》 8 ？ 8 ： maxp， u***_kbd_irq，kbd， endpoint-》bInterval）; kbd-》irq.dev = kbd-》u***dev;
　　if （dev-》descriptor.iManufacturer） u***_string（dev， dev-》descriptor.iManufacturer， kbd-》name， 63）;
　　if （u***_submit_urb（&kbd-》irq）） {
　　kfree（kbd）; return NULL; }
　　printk（KERN_INFO “input%d： %s on u***%d：%d.%d//n”， kbd-》dev.number， kbd-》name， dev-》bus-》busnum， dev-》devnum， ifnum）;
　　return kbd; }
　　static void u***_kbd_disconnect（struct u***_device *dev， void *ptr）
　　{
　　struct u***_kbd *kbd = ptr;
　　u***_unlink_urb（&kbd-》irq）;
　　kfree（kbd）;
　　}
　　static struct u***_device_id u***_kbd_id_table ［］ = {
　　{ USB_DEVICE（USB_HOTKEY_VENDOR_ID， USB_HOTKEY_PRODUCT_ID） }，
　　{ } /* Terminating entry */
　　};
　　MODULE_DEVICE_TABLE （u***， u***_kbd_id_table）;
　　static struct u***_driver u***_kbd_driver = {
　　name： “Hotkey”，
　　probe： u***_kbd_probe，
　　disconnect： u***_kbd_disconnect，
　　id_table： u***_kbd_id_table，
　　NULL，
　　};
　　static int __init u***_kbd_init（void）
　　{
　　u***_register（&u***_kbd_driver）;
　　info（DRIVER_VERSION “：” DRIVER_DESC）;
　　return 0;
　　}
　　static void __exit u***_kbd_exit（void）
　　{
　　u***_deregister（&u***_kbd_driver）;
　　}
　　module_init（u***_kbd_init）;
　　module_exit（u***_kbd_exit）;
　　三、结语
　　USB规范是一门比较新的技术，接口使用方便，但是驱动程序的设计较复杂。上面介绍了USB设备驱动程序的设计，主要分析了主机端驱动程序的设计，并且给出了一个编写USB驱动程序的实例。