1、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 L
2、inux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(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(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
3、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_endpo
4、intAddr; /* 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
5、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(configur
6、ation)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
7、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。 bmAttri
8、butes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
9、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 u
10、sb_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
11、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(KER
12、N_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 he
13、llo_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) cl
14、ean 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
15、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); modu
16、le_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, .pr
17、obe = 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
18、 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_
19、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
20、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 valu
21、es 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_tab
22、le); 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 sk
23、eleton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
24、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_d
25、evice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。
26、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 a
27、sthisfunction. * * 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_pu
28、t(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)
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