Linux系统下的USB的驱动设计.docx
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Linux系统下的USB的驱动设计
USB驱动框架分析
(一)
初次接触和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的驱动研发。
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式写法。
事实上,Linux的设备驱动都遵循一个惯例?
?
表征驱动程式(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式所需要的所有资源。
用术语来说,就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研发人员决定,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(devfordevice,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(就是usb驱动的骨架咯),自然,他定义的设备结构体就叫做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
*/
unsignedchar
*
bulk_in_buffer;
/*
thebuffertoreceivedata
*/
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,
USB的
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)
当
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
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),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
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
struct
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。
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
struct
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
struct
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。
Linux
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
#include
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
-C
$(KDIR)
M=$(BDIR)
clean
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。
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:
static
int
__initusb_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
__exitusb_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");
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
struct
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:
static
struct
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:
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
*/
unsignedchar
*
bulk_in_buffer;
/*
thebuffertoreceivedata
*/
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;
};
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
class、subclass跟
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
#define
USB_SKEL_PRODUCT_ID
0xfff0
/*
table
of
devices
that
work
with
this
driver
*/
static
struct
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
vendor
ID和
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。
Linux
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
production
ID和
vendor
ID的组合或设备的
class、subclass跟
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
usb_interface
*跟一个
struct
usb_device_id
*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));
dev->interface
=
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
一个
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
for
object.
*
@kref:
object.
*
@release:
pointer
to
the
function
that
will
clean
up
the
object
when
the
*
last
reference
to
the
object
is
released.
*
Thispointerisrequired,anditisnotacceptabletopasskfree
*
in
asthisfunction.
*
*
Decrement
the
refcount,
and
if
0,
call
release().
*Return1iftheobjectwasremoved,otherwisereturn0.
Beware,ifthis
*
function
returns
0,
you
still
can
not
count
onthe
kref
from
remaining
in
*memory.
Onlyusethereturnvalueifyouwanttoseeifthekrefisnow
*
gone,
not
present.
*/
int
kref_put(struct
kref
*kref,
void
(*release)(struct
kref
*kref))
{
WARN_ON(release
==
NULL);
WARN_ON(release
==
(void
(*)(struct
kref
*))kfree);
/*
*
if
current
count
isone,
we
are
thelast
user
and
can
release
object
*
right
now,
avoiding
an
atomic
operation
on
’refcount’
*/
if
((atomic_read(&kref->refcount)
==
1)
||
(atomic_dec_and_test(&kref->refcount)))