Linux USB驅動框架分析（一）

????初次接觸與OS相關的設備驅動編寫，感覺還挺有意思的，為了不至于忘掉看過的東西，筆記跟總結當然不可缺，更何況我決定為嵌入式賣命了。好，言歸正傳，我說一說這段時間的收獲，跟大家分享一下Linux的驅動開發(fā)。但這次只先針對Linux的USB子系統(tǒng)作分析，因為周五研討老板催貨。當然，還會順帶提一下其他的驅動程序寫法。

????事實上，Linux的設備驅動都遵循一個慣例——表征驅動程序（用driver更貼切一些，應該稱為驅動器比較好吧）的結構體，結構體里面應該包含了驅動程序所需要的所有資源。用OO的術語來說，就是這個驅動器對象所擁有的屬性及成員。由于Linux的內核用c來編寫，所以我們也按照這種結構化的思想來分析代碼，但我還是希望從OO的角度來闡述這些細節(jié)。這個結構體的名字有驅動開發(fā)人員決定，比如說，鼠標可能有一個叫做mouse_dev的struct，鍵盤可能由一個keyboard_dev的struct（dev fordevice，我們做的只是設備驅動）。而這次我們來分析一下Linux內核源碼中的一個usb-skeleton（就是usb驅動的骨架咯），自然，他定義的設備結構體就叫做usb-skel：

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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 */

???? unsigned char *??????? bulk_in_buffer;??????? /* the buffer to receive data */

???? 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;

};

?

這里我們得補充說明一下一些USB的協議規(guī)范細節(jié)。USB能夠自動監(jiān)測設備，并調用相應得驅動程序處理設備，所以其規(guī)范實際上是相當復雜的，幸好，我們不必理會大部分細節(jié)問題，因為Linux已經提供相應的解決方案。就我現在的理解來說，USB的驅動分為兩塊，一塊是USB的bus驅動，這個東西，Linux內核已經做好了，我們可以不管，但我們至少要了解他的功能。形象得說，USB的bus驅動相當于鋪出一條路來，讓所有的信息都可以通過這條USB通道到達該到的地方，這部分工作由usb_core來完成。當設備接到USB接口是，usb_core就檢測該設備的一些信息，例如生產廠商ID和產品的ID，或者是設備所屬的class、subclass跟protocol，以便確定應該調用哪一個驅動處理該設備。里面復雜細節(jié)我們不用管，我們要做的是另一塊工作——usb的設備驅動。也就是說，我們就等著usb_core告訴我們要工作了，我們才工作。對于usb規(guī)范定義的設備，他們有一個設備的框架，對于開發(fā)人員來說，他大概如圖所示：

從開發(fā)人員的角度看，每一個usb設備有若干個配置(configuration)組成，每個配置又可以有多個接口(interface)，每個接口又有多個設置(setting圖中沒有給出)，而接口本身可能沒有端點或者多個端點（endpoint）。USB的數據交換通過端點來進行，主機與各個端點之間建立起單向的管道來傳輸數據。而這些接口可以分為四類：

控制（control）

用于配置設備、獲取設備信息、發(fā)送命令或者獲取設備的狀態(tài)報告

中斷（interrupt）

當USB宿主要求設備傳輸數據時，中斷端點會以一個固定的速率傳送少量數據，還用于發(fā)送數據到USB設備以控制設備，一般不用于傳送大量數據。

批量（bulk）

用于大量數據的可靠傳輸，如果總線上的空間不足以發(fā)送整個批量包，它會被分割成多個包傳輸。

等時（isochronous）

???? 大量數據的不可靠傳輸，不保證數據的到達，但保證恒定的數據流，多用于數據采集。

Linux中用struct usb_host_endpoint來描述USB端點，每個usb_host_endpoint中包含一個struct usb_endpoint_descriptor結構體，當中包含該端點的信息以及設備自定義的各種信息，這些信息包括：

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bEndpointAddress（b for byte）

8位端點地址，其地址還隱藏了端點方向的信息（之前說過，端點是單向的），可以用掩碼USB_DIR_OUT和USB_DIR_IN來確定。

bmAttributes

端點的類型，結合USB_ENDPOINT_XFERTYPE_MASK可以確定端點是USB_ENDPOINT_XFER_ISOC（等時）、USB_ENDPOINT_XFER_BULK（批量）還是USB_ENDPOINT_XFER_INT（中斷）。

wMaxPacketSize

???? 端點一次處理的最大字節(jié)數。發(fā)送的BULK包可以大于這個數值，但會被分割傳送。

bInterval

???? 如果端點是中斷類型，該值是端點的間隔設置，以毫秒為單位。

????在邏輯上，一個USB設備的功能劃分是通過接口來完成的。比如說一個USB揚聲器，可能會包括有兩個接口：一個用于鍵盤控制，另外一個用于音頻流傳輸。而事實上，這種設備需要用到不同的兩個驅動程序來操作，一個控制鍵盤，一個控制音頻流。但也有例外，比如藍牙設備，要求有兩個接口，第一用于ACL跟EVENT的傳輸，另外一個用于SCO鏈路，但兩者通過一個驅動控制。在Linux上，接口使用structusb_interface來描述，以下是該結構體中比較重要的字段：

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struct usb_host_interface *altsetting（注意不是usb_interface）

其實據我理解，他應該是每個接口的設置，雖然名字上有點奇怪。該字段是一個設置的數組（一個接口可以有多個設置），每個usb_host_interface都包含一套由struct usb_host_endpoint定義的端點配置。但這些配置次序是不定的。

unsigned num_altstting

???? 可選設置的數量，即altsetting所指數組的元素個數。

struct usb_host_interface *cur_altsetting

???? 當前活動的設置，指向altsetting數組中的一個。

int minor

當捆綁到該接口的USB驅動程序使用USB主設備號時，USB core分配的次設備號。僅在成功調用usb_register_dev之后才有效。

?

除了它可以用struct usb_host_config來描述之外，到現在為止，我對配置的了解不多。而整個USB設備則可以用struct usb_device來描述，但基本上只會用它來初始化函數的接口，真正用到的應該是我們之前所提到的自定義的一個結構體。