Linux USB驱动框架分析.docx
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LinuxUSB驱动框架分析
LinuxUSB驱动框架分析
说明：
本来也想自己总结一下USB驱动，但是在网上看到这篇文章，感觉我想说的它已经说了，而我没想到要说的，它也已经说了，所以就转载了！
如果只是写一个简单的USB驱动，我想看完这篇文章就应该不成问题了！
LinuxUSB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，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（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：
structusb_skel {
structusb_device* udev; /*theusbdeviceforthisdevice*/
structusb_interface* interface; /*theinterfaceforthisdevice*/
structsemaphore limit_sem; /*limitingthenumberofwritesinprogress*/
unsignedchar* bulk_in_buffer; /*thebuffertoreceivedata*/
size_t bulk_in_size; /*thesizeofthereceivebuffer*/
__u8 bulk_in_endpointAddr; /*theaddressofthebulkinendpoint*/
__u8 bulk_out_endpointAddr; /*theaddressofthebulkoutendpoint*/
structkref 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。
就我现在的理解来说，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就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。
也就是说，我们就等着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（endpoint）。
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structusb_host_endpoint来描述USB端点，每个usb_host_endpoint中包含一个structusb_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（bforbyte）
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
端点一次处理的最大字节数。
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structusb_interface来描述，以下是该结构体中比较重要的字段：
structusb_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structusb_host_endpoint定义的端点配置。
但这些配置次序是不定的。
unsignednum_altstting
可选设置的数量，即altsetting所指数组的元素个数。
structusb_host_interface*cur_altsetting
当前活动的设置，指向altsetting数组中的一个。
intminor
当捆绑到该接口的USB驱动程序使用USB主设备号时，USBcore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structusb_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structusb_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。
LinuxUSB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
#include
MODULE_LICENSE（“GPL”）;
staticinthello_init（void）
{
printk（KERN_ALERT“HelloWorld!
n”）;
return0;
}
staticinthello_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（$（KERNELRELEASE）,）
obj-m:
=hello.o#usb-dongle.o
else
KDIR:
=/usr/src/linux-headers-$（shelluname-r）
BDIR:
=$（shellpwd）
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。
LinuxUSB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：
staticint__initusb_skel_init（void）
{
intresult;
/*registerthisdriverwiththeUSBsubsystem*/
result=usb_register（&skel_driver）;
if（result）
err（"usb_registerfailed.Errornumber%d",result）;
returnresult;
}
staticvoid__exitusb_skel_exit（void）
{
/*deregisterthisdriverwiththeUSBsubsystem*/
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序，这个描述驱动程序的结构体是系统定义的标准结构structusb_driver,注册和注销的方法很简单，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：
staticstructusb_driverskel_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,以及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开发人员自定义，它描述的是该驱动拥有的所有资源及状态：
structusb_skel {
structusb_device* udev; /*theusbdeviceforthisdevice*/
structusb_interface* interface; /*theinterfaceforthisdevice*/
structsemaphore limit_sem; /*limitingthenumberofwritesinprogress*/
unsignedchar* bulk_in_buffer; /*thebuffertoreceivedata*/
size_t bulk_in_size; /*thesizeofthereceivebuffer*/
__u8 bulk_in_endpointAddr; /*theaddressofthebulkinendpoint*/
__u8 bulk_out_endpointAddr; /*theaddressofthebulkoutendpoint*/
structkref 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，最后是一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productionID和vendorID的组合或者设备的class、subclass跟protocol的组合来识别设备，并调用相关的驱动程序作处理。
我们可以看看这个id_table到底是什么东西：
/*Definethesevaluestomatchyourdevices*/
#defineUSB_SKEL_VENDOR_ID 0xfff0
#defineUSB_SKEL_PRODUCT_ID0xfff0
/*tableofdevicesthatworkwiththisdriver*/
staticstructusb_device_idskel_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vendorID和productID，如果它们的值是0xfff0时，那么子系统就会调用这个skeleton模块作为设备的驱动。
LinuxUSB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productionID和vendorID的组合或者设备的class、subclass跟protocol的组合来识别设备调用相应驱动程序的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structusb_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）跟它的设备ID描述（包括VendorID、ProductionID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，可以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，它把kref的计数减1，如果kref计数已经为0，那么kref会被释放。
kref_put的第二个参数是一个函数指针，指向一个清理函数。
注意，该指针不能为空，或者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-decrementrefcountforobject.
*@kref:
object.
*@release:
pointertothefunctionthatwillcleanuptheobjectwhenthe
* lastreferencetotheobjectisreleased.
* Thispointerisrequired,anditisnotacceptabletopasskfree
* inasthisfunction.
*
*Decrementtherefcount,andif0,callrelease（）.
*Return1iftheobjectwasremoved,otherwisereturn0. Beware,ifthis
*functionreturns0,youstillcannotcountonthekreffromremainingin
*memory. Onlyusethereturnvalueifyouwanttoseeifthekrefisnow
*gone,notpresent.
*/
intkref_put（structkref*kref,void（*release）（structkref*kref））
{
WARN_ON（release==NULL）;
WARN_ON（release==（void（*）（structkref*））kfree）;
/*
*ifcurrentcountisone,wearethelastuserandcanreleaseobject
*rightnow,avoidinganatomicoperationon'refcount'
*/
if（（atomic_read（&kref->refcount）==1）||
（atomic_dec_and_test（&kref->refcount）））{
release（kref）;
return1;
}
return0;
}
当我们执行打开操作时，我们要增加kref的计数，我们可以用kref_get，来完成。
所有对structkref的操作都有内核代码确保其原子性。
得到了该usb_device之后，我们要对我们自定义的usb_skel各个状态跟资源作初始化。
这部分工作的任务主要是向usb_skel注册该usb设备的端点。
这里可能要补充以下一些关于usb_interface_descriptor的知识，但因为内核源码对该结构体的注释不多，所以只能靠个人猜测。
在一个usb_host_interface结构里面有一个usb_interface_descriptor叫做desc的成员，他应该是用于描述该interface的一些属性，其中bN
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