Linux usb 设备驱动.docx

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Linuxusb设备驱动

Linuxusb设备驱动四篇文章

一、LinuxUSB驱动编程指导：

http:

//wwwbode.cs.tum.edu/Par/arch/usb/usbdoc/

二、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