Linux USB驅(qū)動(dòng)框架分析（一）

????初次接觸與OS相關(guān)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)編寫(xiě)，感覺(jué)還挺有意思的，為了不至于忘掉看過(guò)的東西，筆記跟總結(jié)當(dāng)然不可缺，更何況我決定為嵌入式賣(mài)命了。好，言歸正傳，我說(shuō)一說(shuō)這段時(shí)間的收獲，跟大家分享一下Linux的驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)。但這次只先針對(duì)Linux的USB子系統(tǒng)作分析，因?yàn)橹芪逖杏懤习宕哓?。?dāng)然，還會(huì)順帶提一下其他的驅(qū)動(dòng)程序?qū)懛ā?/p>

????事實(shí)上，Linux的設(shè)備驅(qū)動(dòng)都遵循一個(gè)慣例——表征驅(qū)動(dòng)程序（用driver更貼切一些，應(yīng)該稱(chēng)為驅(qū)動(dòng)器比較好吧）的結(jié)構(gòu)體，結(jié)構(gòu)體里面應(yīng)該包含了驅(qū)動(dòng)程序所需要的所有資源。用OO的術(shù)語(yǔ)來(lái)說(shuō)，就是這個(gè)驅(qū)動(dòng)器對(duì)象所擁有的屬性及成員。由于Linux的內(nèi)核用c來(lái)編寫(xiě)，所以我們也按照這種結(jié)構(gòu)化的思想來(lái)分析代碼，但我還是希望從OO的角度來(lái)闡述這些細(xì)節(jié)。這個(gè)結(jié)構(gòu)體的名字有驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)人員決定，比如說(shuō)，鼠標(biāo)可能有一個(gè)叫做mouse_dev的struct，鍵盤(pán)可能由一個(gè)keyboard_dev的struct（dev fordevice，我們做的只是設(shè)備驅(qū)動(dòng)）。而這次我們來(lái)分析一下Linux內(nèi)核源碼中的一個(gè)usb-skeleton（就是usb驅(qū)動(dòng)的骨架咯），自然，他定義的設(shè)備結(jié)構(gòu)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(bǔ)充說(shuō)明一下一些USB的協(xié)議規(guī)范細(xì)節(jié)。USB能夠自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備，并調(diào)用相應(yīng)得驅(qū)動(dòng)程序處理設(shè)備，所以其規(guī)范實(shí)際上是相當(dāng)復(fù)雜的，幸好，我們不必理會(huì)大部分細(xì)節(jié)問(wèn)題，因?yàn)長(zhǎng)inux已經(jīng)提供相應(yīng)的解決方案。就我現(xiàn)在的理解來(lái)說(shuō)，USB的驅(qū)動(dòng)分為兩塊，一塊是USB的bus驅(qū)動(dòng)，這個(gè)東西，Linux內(nèi)核已經(jīng)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(shuō)，USB的bus驅(qū)動(dòng)相當(dāng)于鋪出一條路來(lái)，讓所有的信息都可以通過(guò)這條USB通道到達(dá)該到的地方，這部分工作由usb_core來(lái)完成。當(dāng)設(shè)備接到USB接口是，usb_core就檢測(cè)該設(shè)備的一些信息，例如生產(chǎn)廠商ID和產(chǎn)品的ID，或者是設(shè)備所屬的class、subclass跟protocol，以便確定應(yīng)該調(diào)用哪一個(gè)驅(qū)動(dòng)處理該設(shè)備。里面復(fù)雜細(xì)節(jié)我們不用管，我們要做的是另一塊工作——usb的設(shè)備驅(qū)動(dòng)。也就是說(shuō)，我們就等著usb_core告訴我們要工作了，我們才工作。對(duì)于usb規(guī)范定義的設(shè)備，他們有一個(gè)設(shè)備的框架，對(duì)于開(kāi)發(fā)人員來(lái)說(shuō)，他大概如圖所示：

從開(kāi)發(fā)人員的角度看，每一個(gè)usb設(shè)備有若干個(gè)配置(configuration)組成，每個(gè)配置又可以有多個(gè)接口(interface)，每個(gè)接口又有多個(gè)設(shè)置(setting圖中沒(méi)有給出)，而接口本身可能沒(méi)有端點(diǎn)或者多個(gè)端點(diǎn)（endpoint）。USB的數(shù)據(jù)交換通過(guò)端點(diǎn)來(lái)進(jìn)行，主機(jī)與各個(gè)端點(diǎn)之間建立起單向的管道來(lái)傳輸數(shù)據(jù)。而這些接口可以分為四類(lèi)：

控制（control）

用于配置設(shè)備、獲取設(shè)備信息、發(fā)送命令或者獲取設(shè)備的狀態(tài)報(bào)告

中斷（interrupt）

當(dāng)USB宿主要求設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，中斷端點(diǎn)會(huì)以一個(gè)固定的速率傳送少量數(shù)據(jù)，還用于發(fā)送數(shù)據(jù)到USB設(shè)備以控制設(shè)備，一般不用于傳送大量數(shù)據(jù)。

批量（bulk）

用于大量數(shù)據(jù)的可靠傳輸，如果總線(xiàn)上的空間不足以發(fā)送整個(gè)批量包，它會(huì)被分割成多個(gè)包傳輸。

等時(shí)（isochronous）

???? 大量數(shù)據(jù)的不可靠傳輸，不保證數(shù)據(jù)的到達(dá)，但保證恒定的數(shù)據(jù)流，多用于數(shù)據(jù)采集。

Linux中用struct usb_host_endpoint來(lái)描述USB端點(diǎn)，每個(gè)usb_host_endpoint中包含一個(gè)struct usb_endpoint_descriptor結(jié)構(gòu)體，當(dāng)中包含該端點(diǎn)的信息以及設(shè)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(diǎn)地址，其地址還隱藏了端點(diǎn)方向的信息（之前說(shuō)過(guò)，端點(diǎn)是單向的），可以用掩碼USB_DIR_OUT和USB_DIR_IN來(lái)確定。

bmAttributes

端點(diǎn)的類(lèi)型，結(jié)合USB_ENDPOINT_XFERTYPE_MASK可以確定端點(diǎn)是USB_ENDPOINT_XFER_ISOC（等時(shí)）、USB_ENDPOINT_XFER_BULK（批量）還是USB_ENDPOINT_XFER_INT（中斷）。

wMaxPacketSize

???? 端點(diǎn)一次處理的最大字節(jié)數(shù)。發(fā)送的BULK包可以大于這個(gè)數(shù)值，但會(huì)被分割傳送。

bInterval

???? 如果端點(diǎn)是中斷類(lèi)型，該值是端點(diǎn)的間隔設(shè)置，以毫秒為單位。

????在邏輯上，一個(gè)USB設(shè)備的功能劃分是通過(guò)接口來(lái)完成的。比如說(shuō)一個(gè)USB揚(yáng)聲器，可能會(huì)包括有兩個(gè)接口：一個(gè)用于鍵盤(pán)控制，另外一個(gè)用于音頻流傳輸。而事實(shí)上，這種設(shè)備需要用到不同的兩個(gè)驅(qū)動(dòng)程序來(lái)操作，一個(gè)控制鍵盤(pán)，一個(gè)控制音頻流。但也有例外，比如藍(lán)牙設(shè)備，要求有兩個(gè)接口，第一用于ACL跟EVENT的傳輸，另外一個(gè)用于SCO鏈路，但兩者通過(guò)一個(gè)驅(qū)動(dòng)控制。在Linux上，接口使用structusb_interface來(lái)描述，以下是該結(jié)構(gòu)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(shí)據(jù)我理解，他應(yīng)該是每個(gè)接口的設(shè)置，雖然名字上有點(diǎn)奇怪。該字段是一個(gè)設(shè)置的數(shù)組（一個(gè)接口可以有多個(gè)設(shè)置），每個(gè)usb_host_interface都包含一套由struct usb_host_endpoint定義的端點(diǎn)配置。但這些配置次序是不定的。

unsigned num_altstting

???? 可選設(shè)置的數(shù)量，即altsetting所指數(shù)組的元素個(gè)數(shù)。

struct usb_host_interface *cur_altsetting

???? 當(dāng)前活動(dòng)的設(shè)置，指向altsetting數(shù)組中的一個(gè)。

int minor

當(dāng)捆綁到該接口的USB驅(qū)動(dòng)程序使用USB主設(shè)備號(hào)時(shí)，USB core分配的次設(shè)備號(hào)。僅在成功調(diào)用usb_register_dev之后才有效。

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除了它可以用struct usb_host_config來(lái)描述之外，到現(xiàn)在為止，我對(duì)配置的了解不多。而整個(gè)USB設(shè)備則可以用struct usb_device來(lái)描述，但基本上只會(huì)用它來(lái)初始化函數(shù)的接口，真正用到的應(yīng)該是我們之前所提到的自定義的一個(gè)結(jié)構(gòu)體。