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usb驱动分析论文
Linux课程设计
院系：
信息工程学院
专业：
10电子信息工程
学号：
姓名：
指导教师：
：
一、引言
USB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。
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，我将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：
完成控制一、引言
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usb_driver结构来传递。
usb_driver结构如下：
staticstructusb_driverskel_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*/
minorUSB_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*/
};
staticstructfile_operationskel_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=usb_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usb_deregister函数处理。
函数的调用格式为：
staticvoid__exitusb_skel_exit（void）
{/*deregisterthisdriverwiththeUSBsubsystem*/
usb_deregister（&skel_driver）;
}
module_exit（usb_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）：
/*tableofdevicesthatworkwiththisdriver*/
staticstructusb_device_idskel_table[]={
{USB_DEVICE（USB_SKEL_VENDOR_ID,
USB_SKEL_PRODUCT_ID）},
{}/*Terminatingentry*/
};
MODULE_DEVICE_TABLE（usb,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USBcore中注册，驱动程序中probe函数也就会被调用。
usb_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：
staticvoid*skel_probe（structusb_device*dev,unsignedintifnum,conststructusb_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USBurb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：
/*initializethedevfsnodeforthisdeviceandregisterit*/
sprintf（name,"skel%d",skel->minor）;
skel->devfs=devfs_register（usb_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：
/*removeourdevfsnode*/
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。
/*incrementourusagecountforthemodule*/
MOD_INC_USE_COUNT;
++skel->open_count;
/*saveourobjectinthefile'sprivatestructure*/
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usb_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usb_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。
usb_bulk_msg函数：
当对usb设备进行一次读或者写时，usb_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：
/*decrementourusagecountforthedevice*/
--skel->open_count;
if（skel->open_count<=0）{
/*shutdownanybulkwritesthatmightbe
goingon*/
usb_unlink_urb（skel->write_urb）;
skel->open_count=0;
}
/*decrementourusagecountforthemodule*/
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。
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。
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