Linux下的USB驱动设计Word文档下载推荐.docx
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semaphore
limit_sem;
limiting
number
of
writes
in
progress
unsignedchar
bulk_in_buffer;
thebuffertoreceivedata
size_t
bulk_in_size;
size
receive
buffer
__u8
bulk_in_endpointAddr;
address
bulk
endpoint
bulk_out_endpointAddr;
out
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
调用相应得驱动程式处理设备，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已提供相应的解决方案。
就我目前的理解来说，
USB的驱动分为
两块，一块是
USB的
bus驱动，这个东西，
Linux内核已做好了，我们能不管，但我们至少
要了解他的功能。
形象得说，
bus驱动相当于铺出一条路来，让所有的信息都能通
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就检测该设备的一些信息，例如生产厂商
ID和产品的
ID，或是设
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。
也就是说，我们就等着
usb_core告诉我们要工作了，我们才工作。
从研发人员的角度看，每一个
usb设备有若干个设置（configuration）组成，每个设置
又能有多个接口（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
没有端点或多个端点（end
point）。
USB的数据交换通过端点来进行，主机和各个端点之间
建立起单向的管道来传输数据。
而这些接口能分为四类：
控制（control）
用于设置设备、获取设备信息、发送命令或获取设备的状态报告
中断（interrupt）
USB宿主需求设备传输数据时，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，他会被分割
成多个包传输。
等时（isochronous）
大量数据的不可靠传输，不确保数据的到达，但确保恒定的数据流，多用于数据采
集。
Linux中用
usb_host_endpoint来描述
USB端点，每个
usb_host_endpoint中包
含一个
usb_endpoint_descriptor结构体，当中包含该端点的信息及设备自定义的各种信
息，这些信息包括：
bEndpointAddress（b
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），能用
掩码
USB_DIR_OUT和
USB_DIR_IN来确定。
bmAttributes
端点的类型，结合
USB_ENDPOINT_XFERTYPE_MASK能确定端点是
USB_ENDPOINT_XFER_ISOC（等时）、
USB_ENDPOINT_XFER_BULK（批量）还是
USB_ENDPOINT_XFER_INT（中断）。
wMaxPacketSize
端点一次处理的最大字节数。
发送的
BULK包能大于这个数值，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式来操作，一个控制键盘，一个控制音频流。
但也有例外，
比如蓝牙设备，需求有两个接口，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
usb_interface来描述，以下是
该结构体中比较重要的字段：
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。
该字段是个设置
的数组（一个接口能有多个设置），每个
usb_host_interface都包含一套由
usb_host_endpoint定义的端点设置。
但这些设置次序是不定的。
unsigned
num_altstting
可选设置的数量，即
altsetting所指数组的元素个数。
*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驱动程式使用
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。
除了他能用
usb_host_config来描述之外，到目前为止，我对设置的了解不多。
而整个
USB设备则能用
usb_device来描述，但基本上只会用他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。
USB驱动框架分析
（二）
好，了解过
USB一些规范细节之后，我们目前来看看
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
MODULE_LICENSE（“GPL”）;
static
hello_init（void）
printk（KERN_ALERT
“Hello
World!
＼n”）;
return
0;
}
hello_exit（void）
“GOODBYE!
module_init（hello_init）;
module_exit（hello_exit）;
这个简单的程式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，非常多情况下，用
GPL或
BSD，或两个，因为一个私有模块一般非常难得到
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。
如程式所示，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
能写成：
ifneq
（$（KERNELRELEASE）,）
obj-m:
=
hello.o#usb-dongle.o
else
KDIR:
/usr/src/linux-headers-$（shell
uname
-r）
BDIR:
$（shellpwd）
default:
$（MAKE）
-C
$（KDIR）
M=$（PWD）
modules
.PHONY:
clean
clean:
make
M=$（BDIR）
endif
能用
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
sudo在
Ubuntu上的测试是不行的。
USB驱动框架分析（三）
下面分析一下
usb-skeleton的源码。
这个范例程式能在
linux-2.6.17/drivers/usb下找到，
其他版本的内核程式源码可能有所不同，但相差不大。
大家能先找到源码看一看，先有个整
体印象。
之前已提到，模块先要向内核注册初始化跟销毁函数：
__initusb_skel_init（void）
result;
register
driver
with
subsystem
result
usb_register（&
skel_driver）;
if
（result）
err（"
usb_register
failed.
Error
%d"
result）;
void
__exitusb_skel_exit（void）
deregister
usb_deregister（&
module_init
（usb_skel_init）;
module_exit
（usb_skel_exit）;
MODULE_LICENSE（"
GPL"
）;
从代码开来，这个
init跟
exit函数的作用只是用来注册驱动程式，这个描述驱动程式的
结构体是系统定义的标准结构
usb_driver,注册和注销的方法非常简单，
usb_register（struct
*usb_driver）,
usb_deregister（struct
*usb_driver）。
那这个结构体需要做
些什么呢？
他要向系统提供几个函数入口，跟驱动的名字：
usb_driver
skel_driver
={
.name
"
skeleton"
.probe
skel_probe,
.disconnect
skel_disconnect,
.id_table
skel_table,
从代码看来，
usb_driver需要初始化四个东西：
模块的名字
skeleton，probe函数
skel_probe,disconnect函数
skel_disconnect,及
id_table。
在解释
skel_driver各个成员之前，我们先来看看另外一个结构体。
这个结构体的名字有
研发人员自定义，他描述的是该驱动拥有的所有资源及状态：
我们先来对这个
usb_skel作个简单分析，他拥有一个描述
usb设备的结构体
udev，一
个接口
interface，用于并发访问控制的
semaphore（信号量）
limit_sem，用于接收数据的缓冲
bulk_in_buffer及其尺寸
bulk_in_size，然后是批量输入输出端口地址
bulk_in_endpointAddr、
bulk_out_endpointAddr，最后是个内核使用的引用计数器。
他们的作用我们将在后面的代码
中看到。
我们再回过头来看看
skel_driver。
name用来告诉内核模块的名字是什么，这个注册之后有系统来使用，跟我们关系不大。
id_table用来告诉内核该模块支持的设备。
usb子系统通过设备的
production
ID和
vendor
ID的组合或设备的
protocol的组合来识别设备，并调用相关的驱动程式作
处理。
我们能看看这个
id_table到底是什么东西：
Define
these
values
to
match
your
devices
#define
USB_SKEL_VENDOR_ID
0xfff0
USB_SKEL_PRODUCT_ID
table
that
work
usb_device_id
skel_table
[]
{USB_DEVICE（USB_SKEL_VENDOR_ID,
USB_SKEL_PRODUCT_ID）
},
{}
/*Terminatingentry
MODULE_DEVICE_TABLE
（usb,
skel_table）;
MODULE_DEVICE_TABLE的第一个参数是设备的类型，如果是
USB设备，那自然是
usb（如果是
PCI设备，那将是
pci，这两个子系统用同一个宏来注册所支持的设备。
这涉及
PCI设备的驱动了，在此先不深究）。
后面一个参数是设备表，这个设备表的最后一个元素
是空的，用于标识结束。
代码定义了
USB_SKEL_VENDOR_ID是
0xfff0，
USB_SKEL_PRODUCT_ID是
0xfff0，也就是说，当有一个设备接到集线器时，
usb子系统
就会检查这个设备的
product
ID，如果他们的值是
0xfff0时，那么子系统就会
调用这个
skeleton模块作为设备的驱动。
USB驱动框架分析（四）
probe是
usb子系统自动调用的一个函数，有
USB设备接到硬件集线器时，usb子系统
会根据
protocol的组合来识别
设备调用相应驱动程式的
probe（探测）函数，对于
skeleton来说，就是
skel_probe。
系统会
传递给探测函数一个
*跟一个
*作为参数。
他们分别是该
USB设备的接口描述（一般会是该设备的第
0号接口，该接口的默认设置也是第
0号设置）
跟他的设备
ID描述（包括
Vendor
ID、Production
ID等）。
probe函数比较长，我们分段来分
析这个函数：
dev->
udev
usb_get_dev（interface_to_usbdev（interface））;
在初始化了一些资源之后，能看到第一个关键的函数调用
interface_to_usbdev。
他同
uo
一个
usb_interface来得到该接口所在设备的设备描述结构。
本来，要得到一个
usb_device只
要用
interface_to_usbdev就够了，但因为要增加对该
usb_device的引用计数，我们应该在做
usb_get_dev的操作，来增加引用计数，并在释放设备时用
usb_put_dev来减少引用计
数。
这里要解释的是，该引用计数值是对该
usb_device的计数，并不是对本模块的计数，本
模块的计数要由
kref来维护。
所以，
probe一开始就有初始化
kref。
事实上，kref_init操作
不单只初始化
kref，还将其置设成
1。
所以在出错处理代码中有
kref_put，他把
kref的计数
减
1，如果
kref计数已为
0，那么
kref会被释放。
kref_put的第二个参数是个函数指针，指
向一个清理函数。
注意，该指针不能为空，或
kfree。
该函数会在最后一个对
kref的引用释
放时被调用（如果我的理解不准确，请指正）。
下面是内核源码中的一段注释及代码：
/**
kref_put
-decrement
refcount
object.
@kref:
@release:
pointer
function
will
up
object
when
last
reference
is
released.
Thispointerisrequired,anditisnotacceptabletopasskfree
asthisfunction.
Decrement
refcount,
and
0,
call
release（）.
*Return1iftheobjectwasremoved,otherwisereturn0.
Beware,ifthis
returns
you
still
can
not
count
onthe
from
remaining
*memory.
Onlyusethereturnvalueifyouwanttoseeifthekrefisnow
gone,
present.
kref_put（struct
*kref,
（*release）（struct
*kref））
WARN_ON（release
==
NULL）;
（void
（*）（struct
*））kfree）;
current
isone,
we
are
thelast
user
release
right
now,
avoiding
an
atomic
operation
on
’refcount’
（（atomic_read（&
kref->
refcount）
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