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98 浏览量 2021-01-20 14:54:58 上传评论 1 收藏 134KB PDF 举报

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Linux USB驱动框架分析驱动框架分析

　　Linux USB驱动框架分析（一）

　　初次接触与OS相关的设备驱动编写，感觉还挺有意思的，为了不至于忘掉看过的东西，笔记跟总结当然不可缺，更何况

我决定为嵌入式卖命了。好，言归正传，我说一说这段时间的收获，跟大家分享一下Linux的驱动开发。但这次只先针对Linux

的USB子系统作分析，因为周五研讨老板催货。当然，还会顺带提一下其他的驱动程序写法。

　　事实上，Linux的设备驱动都遵循一个惯例——表征驱动程序（用driver更贴切一些，应该称为驱动器比较好吧）的结构

体，结构体里面应该包含了驱动程序所需要的所有资源。用术语来说，是这个驱动器对象所拥有的属性及成员。由于Linux的

内核用c来编写，所以我们也按照这种结构化的思想来分析代码，但我还是希望从OO的角度来阐述这些细节。这个结构体的

名字有驱动开发人员决定，比如说，鼠标可能有一个叫做mouse_dev的struct，键盘可能由一个keyboard_dev的struct（dev

for device，我们做的只是设备驱动）。而这次我们来分析一下Linux内核源码中的一个usb-skeleton（是usb驱动的骨架

咯），自然，他定义的设备结构体叫做usb-skel：

　　struct usb_skel {

　　struct usb_device * udev; /* the usb device for this device */

　　struct usb_interface * interface; /* the interface for this device */

　　struct semaphore limit_sem; /* limiting the number of writes in progress */

　　unsigned char * bulk_in_buffer; /* the buffer to receive data */

　　size_t bulk_in_size; /* the size of the receive buffer */

　　__u8 bulk_in_endpointAddr; /* the address of the bulk in endpoint */

　　__u8 bulk_out_endpointAddr; /* the address of the bulk out endpoint */

　　struct kref kref;

　　};

　　这里我们得补充说明一下一些USB的协议规范细节。USB能够自动监测设备，并调用相应得驱动程序处理设备，所以其

规范实际上是相当复杂的，幸好，我们不必理会大部分细节问题，因为Linux已经提供相应的解决方案。我现在的理解来

说，USB的驱动分为两块，一块是USB的bus驱动，这个东西，Linux内核已经做好了，我们可以不管，但我们至少要了解他

的功能。形象得说，USB的bus驱动相当于铺出一条路来，让所有的信息都可以通过这条USB通道到达该到的地方，这部分工

作由usb_core来完成。当USB设备接到USB控制器接口时，usb_core检测该设备的一些信息，例如生产厂商ID和产品的ID，

或者是设备所属的class、subclass跟protocol，以便确定应该调用哪一个驱动处理该设备。里面复杂细节我们不用管，我们要

做的是另一块工作——usb的设备驱动。也是说，我们等着usb_core告诉我们要工作了，我们才工作。

　　从开发人员的角度看，每一个usb设备有若干个配置(configuration)组成，每个配置又可以有多个接口(interface)，每个接

口又有多个设置(setting图中没有给出)，而接口本身可能没有端点或者多个端点（end point）。USB的数据交换通过端点来进

行，主机与各个端点之间建立起单向的管道来传输数据。而这些接口可以分为四类：

　　控制（control）

　　用于配置设备、获取设备信息、发送命令或者获取设备的状态报告

　　中断（interrupt）

　　当USB宿主要求设备传输数据时，中断端点会以一个固定的速率传送少量数据，还用于发送数据到USB设备以控制设

备，一般不用于传送大量数据。

　　批量（bulk）

　　用于大量数据的可靠传输，如果总线上的空间不足以发送整个批量包，它会被分割成多个包传输。

　　等时（isochronous）

　　大量数据的不可靠传输，不保证数据的到达，但保证恒定的数据流，多用于数据采集。

　　Linux中用struct usb_host_endpoint来描述USB端点，每个usb_host_endpoint中包含一个struct usb_endpoint_descriptor

结构体，当中包含该端点的信息以及设备自定义的各种信息，这些信息包括：

　　bEndpointAddress（b for byte）

　　8位端点地址，其地址还隐藏了端点方向的信息（之前说过，端点是单向的），可以用掩码USB_DIR_OUT和

USB_DIR_IN来确定。

　　bmAttributes

　　端点的类型，结合USB_ENDPOINT_XFERTYPE_MASK可以确定端点是USB_ENDPOINT_XFER_ISOC（等时）、

USB_ENDPOINT_XFER_BULK（批量）还是USB_ENDPOINT_XFER_INT（中断）。

　　wMaxPacketSize

　　端点一次处理的大字节数。发送的BULK包可以大于这个数值，但会被分割传送。

　　bInterval

　　如果端点是中断类型，该值是端点的间隔设置，以毫秒为单位。

　　在逻辑上，一个USB设备的功能划分是通过接口来完成的。比如说一个USB扬声器，可能会包括有两个接口：一个用于

键盘控制，另外一个用于音频流传输。而事实上，这种设备需要用到不同的两个驱动程序来操作，一个控制键盘，一个控制音

频流。但也有例外，比如蓝牙设备，要求有两个接口，第一用于ACL跟EVENT的传输，另外一个用于SCO链路，但两者通过

一个驱动控制。在Linux上，接口使用struct usb_interface来描述，以下是该结构体中比较重要的字段：

　　struct usb_host_interface *altsetting（注意不是usb_interface）

　　其实据我理解，他应该是每个接口的设置，虽然名字上有点奇怪。该字段是一个设置的数组（一个接口可以有多个设

置），每个usb_host_interface都包含一套由struct usb_host_endpoint定义的端点配置。但这些配置次序是不定的。

　　unsigned num_altstting

　　可选设置的数量，即altsetting所指数组的元素个数。

　　struct usb_host_interface *cur_altsetting

　　当前活动的设置，指向altsetting数组中的一个。

　　int minor

　　当捆绑到该接口的USB驱动程序使用USB主设备号时，USB core分配的次设备号。仅在成功调用usb_register_dev之后

才有效。

　　除了它可以用struct usb_host_config来描述之外，到现在为止，我对配置的了解不多。而整个USB设备则可以用struct

usb_device来描述，但基本上只会用它来初始化函数的接口，真正用到的应该是我们之前所提到的自定义的一个结构体。

　　Linux USB驱动框架分析（二）

　　好，了解过USB一些规范细节之后，我们现在来看看Linux的驱动框架。事实上，Linux的设备驱动，特别是这种hotplug

的USB设备驱动，会被编译成模块，然后在需要时挂在到内核。要写一个Linux的模块并不复杂，以一个helloworld为例：

　　#include <linux/init.h>

　　#include <linux/module.h>

　　MODULE_LICENSE(“GPL”);

　　static int hello_init(void)

　　{

　　printk(KERN_ALERT “Hello World!/n”);

　　return 0;

　　}

　　static int hello_exit(void)

　　{

　　printk(KERN_ALERT “GOODBYE!/n”);

　　}

　　module_init(hello_init);

　　module_exit(hello_exit);

　　这个简单的程序告诉大家应该怎么写一个模块，MODULE_LICENSE告诉内核该模块的版权信息，很多情况下，用GPL

或者BSD，或者两个，因为一个私有模块一般很难得到社区的帮助。module_init和module_exit用于向内核注册模块的初始化

函数和模块推出函数。如程序所示，初始化函数是hello_init，而退出函数是hello_exit。

　　另外，要编译一个模块通常还需要用到内核源码树中的makefile，所以模块的Makefile可以写成：

　　ifneq ($(KERNELRELEASE)，)

　　obj-m:= hello.o#usb-dongle.o

　　else

　　KDIR:= /usr/src/linux-headers-$(shell uname -r)

　　BDIR:= $(shell pwd)

　　default:

　　$(MAKE) -C $(KDIR) M=$(PWD) modules

　　.PHONY: clean

　　clean:

　　make -C $(KDIR) M=$(BDIR) clean

　　endif

　　可以用insmod跟rmmod来验证模块的挂在跟卸载，但必须用root的身份登陆命令行，用普通用户加su或者sudo在Ubuntu

上的测试是不行的。

Linux USB驱动框架分析（三）

　　下面分析一下usb-skeleton的源码。这个范例程序可以在linux-2.6.17/drivers/usb下找到，其他版本的内核程序源码可能有

所不同，但相差不大。大家可以先找到源码看一看，先有个整体印象。

　　之前已经提到，模块先要向内核注册初始化跟销毁函数：

static int __init usb_skel_init(void)

{

int result;

/* register this driver with the USB subsystem */

result = usb_register(&skel_driver);

if (result)

err("usb_register failed. Error number %d"， result);

return result;

}

static void __exit usb_skel_exit(void)

{

/* deregister this driver with the USB subsystem */

usb_deregister(&skel_driver);

}

module_init (usb_skel_init);

module_exit (usb_skel_exit);

MODULE_LICENSE("GPL");

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