在嵌入式Linux操作系統(tǒng)中完成USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

隨著計(jì)算機(jī)外圍硬件的擴(kuò)展，各種外圍設(shè)備使用不同的總線接口，導(dǎo)致計(jì)算機(jī)外部各種總線繁多，管理困難，USB總線可以解決這些問題，因此而誕生。USB總線提供統(tǒng)一的外設(shè)的接口方式，并且支持熱插拔，方便了廠商開發(fā)設(shè)備和用戶使用設(shè)備。USB（通用串行總線）是由Microsft,Compad,Inter和NEC等推出的外圍總線接口，目前已發(fā)展到2.0標(biāo)準(zhǔn)最高支持480Mb/s的速率，最多可以支持127個(gè)外設(shè)。

嵌入式Linux是一款源代碼完全免費(fèi)的新興操作系統(tǒng)，用戶可以用戶可以通過網(wǎng)絡(luò)等其他途徑免費(fèi)獲得，并可以任意修改其源代碼，這是其他的操作系統(tǒng)做不到的。正是由于這一點(diǎn)，Linux得到了廣泛的應(yīng)用。

1 Linux中USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序框架及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

1.1 USB的體系結(jié)構(gòu)

USB接口標(biāo)準(zhǔn)支持外部設(shè)備和主機(jī)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。在USB結(jié)構(gòu)中主機(jī)頂設(shè)各種類型外設(shè)使用的總線寬度。當(dāng)外設(shè)和主機(jī)在運(yùn)行時(shí)，USB總線允許使用，設(shè)置，添加和拆除外設(shè)。

在USB體系結(jié)構(gòu)中一個(gè)USB系統(tǒng)可以分成USB設(shè)備、USB主機(jī)和USB互聯(lián)3個(gè)部分。USB互聯(lián)是USB設(shè)備和USB主機(jī)之間進(jìn)行連接通信的操作，主要包括：

1）總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：UsB主機(jī)和USB設(shè)備之間的連接方式；

2）數(shù)據(jù)流模式：描述USB通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)如何從產(chǎn)生方傳遞到使用方；

3）USB調(diào)度：USB總線是一個(gè)共享連接，對(duì)可以使用的連按進(jìn)行調(diào)度以支持同步數(shù)據(jù)傳輸，并避免優(yōu)先級(jí)判斷的開銷。

USB的物理連接是有層次的星型結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 USB體系拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

從圖中可以看出USB集線器在一個(gè)節(jié)點(diǎn)上連接多個(gè)設(shè)備，每條線段都是點(diǎn)點(diǎn)連接，每個(gè)USB集線器在星形的中心。從主機(jī)到設(shè)備或者USB集線器，或USB集線器到設(shè)備都是點(diǎn)點(diǎn)連接。

1.2 USB驅(qū)動(dòng)程序的結(jié)構(gòu)

USN總線在技術(shù)層面上是非常簡單的，它是一個(gè)單主方式實(shí)現(xiàn)的，主機(jī)輪詢各種不同的外圍設(shè)備，USB另外一個(gè)重要的特性是它只擔(dān)當(dāng)設(shè)備和主控制器之間通訊通道的角色，對(duì)所發(fā)送的數(shù)據(jù)沒有任何特殊的內(nèi)容和結(jié)構(gòu)上的要求。

Linux支持兩種類型的USB驅(qū)動(dòng)，宿主系統(tǒng)上的驅(qū)動(dòng)程序和設(shè)備上的驅(qū)動(dòng)程序。宿主USB驅(qū)動(dòng)程序控制插入其中的USB設(shè)備，而USB設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序控制設(shè)備如何作為一個(gè)USB設(shè)備和主機(jī)通訊。這里主要討論設(shè)備驅(qū)動(dòng)。

USB的基本通信的形式基本通過端點(diǎn)的東西。USB端點(diǎn)只能往一個(gè)方向傳輸數(shù)據(jù)，從主機(jī)到設(shè)備或從設(shè)備到主機(jī)。USB端點(diǎn)分別具有不同的傳輸數(shù)據(jù)的方式，他們有4種類型，分別是：1）控制端點(diǎn)用來控制對(duì)USB設(shè)備不同部分的訪問。他們用于配置設(shè)備，獲取設(shè)備信息，獲取設(shè)備的狀態(tài)報(bào)告，發(fā)送命令到設(shè)備。它是一種非周期性的可靠的傳輸。2）中斷端點(diǎn)就是設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)時(shí)以一個(gè)固定的速率來傳輸少量的數(shù)據(jù)。這些端點(diǎn)是鼠標(biāo)和USB鍵盤所使用的主要傳輸方式。它通常用于發(fā)送數(shù)據(jù)到USB設(shè)備以控制設(shè)備，一般不用來傳輸大量數(shù)據(jù)。USB協(xié)議保證這些傳輸有足夠的保留帶寬來傳輸數(shù)據(jù)。3）等時(shí)端點(diǎn)同樣可以傳輸大批量的數(shù)據(jù)，但數(shù)據(jù)是否到達(dá)沒有保障，這些端點(diǎn)用于可以應(yīng)付數(shù)據(jù)丟失的情況，這類設(shè)備更注重于保持一定的恒定的數(shù)據(jù)流，實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)收集都使用這類端點(diǎn)。4）批量端點(diǎn)傳輸大量的數(shù)據(jù)。這些端點(diǎn)通常比中斷端點(diǎn)大的多他們常用于需要確保沒有數(shù)據(jù)丟失的傳輸設(shè)備。USB協(xié)議不保證這些傳輸始終可以在特定的時(shí)間內(nèi)完成。如果總線上的空間不足以發(fā)送整個(gè)批量包。它將被分割為多個(gè)包進(jìn)行傳輸。

當(dāng)一個(gè)USB設(shè)備連接到主機(jī)時(shí)，主機(jī)會(huì)給這個(gè)設(shè)備分配一個(gè)1~127之間的唯一的設(shè)備號(hào)同時(shí)讀取該設(shè)備的描述符，該設(shè)備描述符是描述設(shè)備信息及其屬性的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，USB以一種層次化的結(jié)構(gòu)定義設(shè)備的描述符，設(shè)備描述符給出了USB設(shè)備的一般信息，包括對(duì)設(shè)備及所有設(shè)備配置起全程作用的信息，一個(gè)USB設(shè)備只能有一個(gè)設(shè)備描述符，配置描述符中的信息與設(shè)備特定的配置相關(guān)，一個(gè)USB設(shè)備可以有一個(gè)或多個(gè)配置描述符，每一個(gè)配置描述符又由一個(gè)或多個(gè)接口描述符組成，接口描述符的信息是與設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)密切相關(guān)，可以一個(gè)接口對(duì)應(yīng)一個(gè)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序也可以多個(gè)接口對(duì)應(yīng)一個(gè)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，接口描述符由零個(gè)或多個(gè)端點(diǎn)描述符組成，端點(diǎn)描述符定義了在一個(gè)給定的設(shè)備里實(shí)現(xiàn)的實(shí)際寄存器，這些描述符定義了每個(gè)寄存器的功能和特定的信息如端點(diǎn)要求的傳輸類型、傳輸方向、帶寬要求、查詢間隔等。另外，還有一個(gè)可選的宇符串描述符，它以UNCOND碼的格式給出了一些可讀的信息，這些信息通常是有關(guān)設(shè)備生產(chǎn)廠商、設(shè)備名設(shè)備序列號(hào)等，通過這些不同層次的描述符，主機(jī)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序就可以知道具體設(shè)備的相關(guān)信息，從而對(duì)設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)控制。

圖2 USB驅(qū)動(dòng)程序?qū)哟螆D

隨著計(jì)算機(jī)外圍硬件的擴(kuò)展，各種外圍設(shè)備使用不同的總線接口，導(dǎo)致計(jì)算機(jī)外部各種總線繁多，管理困難，USB總線可以解決這些問題，因此而誕生。USB總線提供統(tǒng)一的外設(shè)的接口方式，并且支持熱插拔，方便了廠商開發(fā)設(shè)備和用戶使用設(shè)備。USB（通用串行總線）是由Microsft,Compad,Inter和NEC等推出的外圍總線接口，目前已發(fā)展到2.0標(biāo)準(zhǔn)最高支持480Mb/s的速率，最多可以支持127個(gè)外設(shè)。

嵌入式Linux是一款源代碼完全免費(fèi)的新興操作系統(tǒng)，用戶可以用戶可以通過網(wǎng)絡(luò)等其他途徑免費(fèi)獲得，并可以任意修改其源代碼，這是其他的操作系統(tǒng)做不到的。正是由于這一點(diǎn)，Linux得到了廣泛的應(yīng)用。

1 Linux中USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序框架及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

1.1 USB的體系結(jié)構(gòu)

USB接口標(biāo)準(zhǔn)支持外部設(shè)備和主機(jī)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。在USB結(jié)構(gòu)中主機(jī)頂設(shè)各種類型外設(shè)使用的總線寬度。當(dāng)外設(shè)和主機(jī)在運(yùn)行時(shí)，USB總線允許使用，設(shè)置，添加和拆除外設(shè)。

在USB體系結(jié)構(gòu)中一個(gè)USB系統(tǒng)可以分成USB設(shè)備、USB主機(jī)和USB互聯(lián)3個(gè)部分。USB互聯(lián)是USB設(shè)備和USB主機(jī)之間進(jìn)行連接通信的操作，主要包括：

1）總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：UsB主機(jī)和USB設(shè)備之間的連接方式；

2）數(shù)據(jù)流模式：描述USB通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)如何從產(chǎn)生方傳遞到使用方；

3）USB調(diào)度：USB總線是一個(gè)共享連接，對(duì)可以使用的連按進(jìn)行調(diào)度以支持同步數(shù)據(jù)傳輸，并避免優(yōu)先級(jí)判斷的開銷。

USB的物理連接是有層次的星型結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 USB體系拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

從圖中可以看出USB集線器在一個(gè)節(jié)點(diǎn)上連接多個(gè)設(shè)備，每條線段都是點(diǎn)點(diǎn)連接，每個(gè)USB集線器在星形的中心。從主機(jī)到設(shè)備或者USB集線器，或USB集線器到設(shè)備都是點(diǎn)點(diǎn)連接。

1.2 USB驅(qū)動(dòng)程序的結(jié)構(gòu)

USN總線在技術(shù)層面上是非常簡單的，它是一個(gè)單主方式實(shí)現(xiàn)的，主機(jī)輪詢各種不同的外圍設(shè)備，USB另外一個(gè)重要的特性是它只擔(dān)當(dāng)設(shè)備和主控制器之間通訊通道的角色，對(duì)所發(fā)送的數(shù)據(jù)沒有任何特殊的內(nèi)容和結(jié)構(gòu)上的要求。

Linux支持兩種類型的USB驅(qū)動(dòng)，宿主系統(tǒng)上的驅(qū)動(dòng)程序和設(shè)備上的驅(qū)動(dòng)程序。宿主USB驅(qū)動(dòng)程序控制插入其中的USB設(shè)備，而USB設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序控制設(shè)備如何作為一個(gè)USB設(shè)備和主機(jī)通訊。這里主要討論設(shè)備驅(qū)動(dòng)。

USB的基本通信的形式基本通過端點(diǎn)的東西。USB端點(diǎn)只能往一個(gè)方向傳輸數(shù)據(jù)，從主機(jī)到設(shè)備或從設(shè)備到主機(jī)。USB端點(diǎn)分別具有不同的傳輸數(shù)據(jù)的方式，他們有4種類型，分別是：1）控制端點(diǎn)用來控制對(duì)USB設(shè)備不同部分的訪問。他們用于配置設(shè)備，獲取設(shè)備信息，獲取設(shè)備的狀態(tài)報(bào)告，發(fā)送命令到設(shè)備。它是一種非周期性的可靠的傳輸。2）中斷端點(diǎn)就是設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)時(shí)以一個(gè)固定的速率來傳輸少量的數(shù)據(jù)。這些端點(diǎn)是鼠標(biāo)和USB鍵盤所使用的主要傳輸方式。它通常用于發(fā)送數(shù)據(jù)到USB設(shè)備以控制設(shè)備，一般不用來傳輸大量數(shù)據(jù)。USB協(xié)議保證這些傳輸有足夠的保留帶寬來傳輸數(shù)據(jù)。3）等時(shí)端點(diǎn)同樣可以傳輸大批量的數(shù)據(jù)，但數(shù)據(jù)是否到達(dá)沒有保障，這些端點(diǎn)用于可以應(yīng)付數(shù)據(jù)丟失的情況，這類設(shè)備更注重于保持一定的恒定的數(shù)據(jù)流，實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)收集都使用這類端點(diǎn)。4）批量端點(diǎn)傳輸大量的數(shù)據(jù)。這些端點(diǎn)通常比中斷端點(diǎn)大的多他們常用于需要確保沒有數(shù)據(jù)丟失的傳輸設(shè)備。USB協(xié)議不保證這些傳輸始終可以在特定的時(shí)間內(nèi)完成。如果總線上的空間不足以發(fā)送整個(gè)批量包。它將被分割為多個(gè)包進(jìn)行傳輸。

當(dāng)一個(gè)USB設(shè)備連接到主機(jī)時(shí)，主機(jī)會(huì)給這個(gè)設(shè)備分配一個(gè)1~127之間的唯一的設(shè)備號(hào)同時(shí)讀取該設(shè)備的描述符，該設(shè)備描述符是描述設(shè)備信息及其屬性的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，USB以一種層次化的結(jié)構(gòu)定義設(shè)備的描述符，設(shè)備描述符給出了USB設(shè)備的一般信息，包括對(duì)設(shè)備及所有設(shè)備配置起全程作用的信息，一個(gè)USB設(shè)備只能有一個(gè)設(shè)備描述符，配置描述符中的信息與設(shè)備特定的配置相關(guān)，一個(gè)USB設(shè)備可以有一個(gè)或多個(gè)配置描述符，每一個(gè)配置描述符又由一個(gè)或多個(gè)接口描述符組成，接口描述符的信息是與設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)密切相關(guān)，可以一個(gè)接口對(duì)應(yīng)一個(gè)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序也可以多個(gè)接口對(duì)應(yīng)一個(gè)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，接口描述符由零個(gè)或多個(gè)端點(diǎn)描述符組成，端點(diǎn)描述符定義了在一個(gè)給定的設(shè)備里實(shí)現(xiàn)的實(shí)際寄存器，這些描述符定義了每個(gè)寄存器的功能和特定的信息如端點(diǎn)要求的傳輸類型、傳輸方向、帶寬要求、查詢間隔等。另外，還有一個(gè)可選的宇符串描述符，它以UNCOND碼的格式給出了一些可讀的信息，這些信息通常是有關(guān)設(shè)備生產(chǎn)廠商、設(shè)備名設(shè)備序列號(hào)等，通過這些不同層次的描述符，主機(jī)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序就可以知道具體設(shè)備的相關(guān)信息，從而對(duì)設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)控制。

圖2 USB驅(qū)動(dòng)程序?qū)哟螆D

1.3 USB驅(qū)動(dòng)程序框架

1.3.1 基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

usb-skel設(shè)備使用自定義結(jié)構(gòu)usb_skel記錄設(shè)備驅(qū)動(dòng)用到的所有描述符，該結(jié)構(gòu)定義如下：

1.3.2 驅(qū)動(dòng)程序初始化和注銷

同其他所有的Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序一樣，usb-skel驅(qū)動(dòng)使用module_init（）宏初始化函數(shù)，使用module_exit（）宏注銷函數(shù)。usb-skel驅(qū)動(dòng)的初始化函數(shù)usb_skel_init（）函數(shù)，定義如下：

sb_skel_init（）函數(shù)調(diào)用內(nèi)核提供的usb_register（）函數(shù)注冊了一個(gè)usb_driver類型的結(jié)構(gòu)變量，該變量定義如下：

其中usb_skel設(shè)備的USB ID映射表定義如下：

在USB驅(qū)動(dòng)中調(diào)用usb_deregister（）函數(shù)注銷usb-skel設(shè)備驅(qū)動(dòng)，函數(shù)定義如下：

1.3.3 初始化設(shè)備

從skel_driver結(jié)構(gòu)可以知道usb-skel設(shè)備的初始化函數(shù)是skel_probe（）函數(shù)，設(shè)備初始化主要是探測設(shè)備類型，分配USB設(shè)備用到的urb資源，注冊USB設(shè)備操作函數(shù)等。

skel_class結(jié)構(gòu)變量記錄了usb-skel設(shè)備信息，定義如下：

name變量使用%d通配符表示一個(gè)整型變量，當(dāng)一個(gè)usb-skel類型的設(shè)備連接到USB總先后會(huì)2按照子設(shè)備編號(hào)自動(dòng)設(shè)置設(shè)備名稱。Fops設(shè)備操作函數(shù)結(jié)構(gòu)變量，定義如下：

1.3.4 設(shè)備注銷

skel_disconnect（）函數(shù)在注銷設(shè)備時(shí)被調(diào)用，定義如下：

2 USB串口驅(qū)動(dòng)

2. 1 驅(qū)動(dòng)初始化函數(shù)

usb_serial_init（）函數(shù)是一個(gè)典型的USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)初始化函數(shù)，定義如下：

函數(shù)首先調(diào)用alloc_tty_driver（）函數(shù)分配一個(gè)串口驅(qū)動(dòng)描述符；然后設(shè)置串口驅(qū)動(dòng)的屬性，包括驅(qū)動(dòng)的主從設(shè)備號(hào)、設(shè)備類型、串口初始化參數(shù)等；串口驅(qū)動(dòng)描述符設(shè)置完畢后，調(diào)用usb_register（）函數(shù)注冊USB串口設(shè)備。

2. 2 驅(qū)動(dòng)釋放函數(shù)

2.3 串口操作函數(shù)

USB串口設(shè)備驅(qū)動(dòng)使用了一個(gè)tty_operations類型的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)包含了串口的所有操作，定義如下：

按上述的步驟和方法通過lnsmod命令成功實(shí)現(xiàn)了USB驅(qū)動(dòng)程序的加載，成功的通過USB串口進(jìn)行了數(shù)據(jù)的讀寫。

3 結(jié)論

新出的Linux2.6內(nèi)核加入了對(duì)USB2.0的支持，重新定義了usb_class_driver結(jié)構(gòu)體。同時(shí)對(duì)探測函數(shù)probe和usb_submit_urb做了修改，包含了advanced linux sound Archiecture可以更安全的使用USB設(shè)備。