基于Linux的USB从设备驱动研究

0 引言
    USB是英文Universal Serial Bus的缩写，意为通用串行总线。USB是一种快速、双向、同步、低成本、动态可连接的串行接口。USB现在已经广泛应用到各种设备上，尤其是手持设备，几乎都采用了USB接口。现在，USB即可用来与其他设备连接后高速地传递数据，又可用来充电，使手持设备可以发挥U盘、MODEM、无线网卡等作用。
    事实上，USB只是主机和外围设备之间的连接。如何来促使这种连接发挥作用，就需要驱动程序。驱动程序主要解决硬件“需要提供什么功能”以及“如何使用这些功能”。在linux系统中，USB设备可以作为主机使用，也可作为从设备使用。对应的USB驱动程序有两种主要的类型：宿主系统上的驱动程序和设备上的驱动程序。从宿主的观点来看(例如普通的左桌面计算机)，宿主系统的USB驱动程序控制插入其中的USB设备，而USB设备的驱动程序则控制该设备如何作为一个USB设备和主机通信。

1 USB设备基础
    USB设备的构成包括配置接口和端点，以及USB驱动程序如何绑定到USB接口上。端点是USB通信最基本的形式，USB端点只能是往一个方向传送数据，即从主机到设备(称为输出端点)或者从设备到主机(称为输入端点)，故可以看作是单向管道。USB有四种不同的类型，分别对应不同的传输类型：控制、中断、批量、等时。其次接口，USB端点被绑定即为接口。USB的一个接口只处理一种USB逻辑连接；一个USB设备可以有多个接口，不同的接口可以代表不同的功能，因此，功能不同的USB接口需要不同的驱动程序。另外就是配置，USB接口本身被绑定为配置。一个USB设备可以有多个配置，而且可以在配置之间切换以改变设备的状态；一个时刻只能激活一个配置，怛一个配置通常具有一个或者更多的接口。
    USB设备可由许多不同的逻辑单元组成，实际上，也就是这三种逻辑单元组合而成的。Linux内核中的USB代码一般要用URB (usbrequst block)与USB设备通信。URB用struct urb结构体描述，它能以一种异步的方式往／从特定的USB端点发送／接收数据。USB设备驱动程序可能会为单个端点分配许多的URB，也可能对许多不同的端点重用单个URB，这取决于驱动的需要。当USB驱动程序只发送或接收一些简单的USB数据时，可以使用两个很简单的接口函数：usb_bulk_msg、usb_control_msg。

2 USB设备驱动程序的结构
    图1所示是Linux环境下USB驱动的总体结构。从图l中可以看到：在主机侧层次结构中，实现USB驱动有两类方式：USB主机控制器驱动和USB设备驱动；USB主机控制驱动主要控制插入其中的USB设备，主机控制器可以分为三类，分别对应于三种USB主控制器；USB设备驱动则用于控制USB设备如何与主机通信；USB核心负责USB驱动管理和协议处理的主要工作。

    USB核心向上可为设备驱动提供编程接口，向下可为USB主机控制器驱动提供编程接口；它可以通过全局变量维护整个系统的USB设备信息，从而完成设备的热插拔控制和总线数据传输控制等驱动。
    另外，在从设备侧，Linux内核中的USB设备侧驱动程序可分为3个层次：USB设备控制器(UDC)驱动程序、Gadget API和Gadget驱动程序；UDC驱动程序可直接访问硬件，控制USB设备和主机间的底层通信，并向上层提供和硬件相关的操作回调函数。不同的设备控制器硬件有不同的设备控制器驱动程序；Gadget驱动主要控制USB设备功能的实现，它使用Gadget API传递控制信息给UDC驱动程序，以便实现具体功能。
    Gadget API是设备控制器的控制功能抽象接口，Gadget驱动程序可以试用Gadget API，它可以把下层的UDC驱动程序和上层Gadget驱动程序相隔离，以使得在linux系统中编写USB设备侧驱动程序时，能够把功能的实现和底层通信相分离。
    如果要在S3c24．10上实现大存储类从设备，则需要运行file_storage．c和s3c2410_udc．c这两个驱动程序。file_stoarge．c具体控制USB设备功能的实现，它使用Gadget API来控制s3c2410．c以实现其功能。s3c2410．c驱动程序可直接访问硬件，以控制USB设备和主机间的底层通信，同时向上层提供和硬件相关操作的回调函数。

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3 USB从设备驱动
    驱动程序完成的功能包括初始化设备、为各类设备提供服务、负责内核与设备间的数据交换、以及检测和处理设备工作过程中出现的错误等。
    基于完成这些功能，每个驱动程序都需要注册和注销，这样，内核才能知道有这个驱动的存在或者驱动的卸载。下面是两个最基本的模块：
    module_init(usb_skel_init)；
    module_exit(usb_skel_exit)；
对于USB从设备而言，结构USB_gadget就可以代表。Gadget通过“Gadget驱动程序”来实现设备功能，处理所有的USB配置和接口。通过操作函数集，Gadget驱动程序与硬件特定代码间接通信。它将Gadget驱动程序与那个硬件细节隔开，并通过I／O队列包装硬件端点。 “usb_gadget”“usb_ep”接口则可提供对硬件的隔离。
    其结构usb＿gadget的代码如下：

    结构usb_gadget_ops是USB设备控制期的设备控制函数集，其操作包括get_frames、wakeup、pullop、ioctl等。结构struct usb_ep是USB端点从设备侧的代表，总线控制器驱动程序中列出了在gadget－>ep_list里所有的通用端点，但控制端点不在列表中，它仅在回应驱动程序的setup 0 回调函数时才被访问，其代码如下：

   
4 结束语
    本文主要通过在S3C2401上实现USB从设备的驱动程序，介绍了USB从设备驱动的研究方法。Linux作为一个开源操作系统，设备驱动程序的开发有着其它操作系统不可比拟的优势，大量的开放源代码无疑可以加速USB从设备驱动，并使其应用更加广泛。因此，USB作为一种新型的高速外设总线，它必将更加促进linux系统源码的开发和完善，同时亦会促进自身的更广泛的应用。