linux usb 驅動


我們知道了在Linux下如何去使用一些最常見的USB設備。但對于做系統設計的程序員來說，這是遠遠不夠的，我們還需要具有驅動程序的閱讀、修改和開發能力。在此下篇中，就是要通過簡單的USB驅動的例子，隨您一起進入USB驅動開發的世界。 

USB骨架程序（usb-skeleton），是USB驅動程序的基礎，通過對它源碼的學習和理解，可以使我們迅速地了解USB驅動架構，迅速地開發我們自己的USB硬件的驅動。 

USB驅動開發 

在掌握了USB設備的配置后，對于程序員，我們就可以嘗試進行一些簡單的USB驅動的修改和開發了。這一段落，我們會講解一個最基礎USB框架的基礎上，做兩個小的USB驅動的例子。 

USB骨架 

在Linux kernel源碼目錄中driver/usb/usb-skeleton.c為我們提供了一個最基礎的USB驅動程序。我們稱為USB骨架。通過它我們僅需要修改極少的部分，就可以完成一個USB設備的驅動。我們的USB驅動開發也是從她開始的。 

那些linux下不支持的USB設備幾乎都是生產廠商特定的產品。如果生產廠商在他們的產品中使用自己定義的協議，他們就需要為此設備創建特定的驅動程序。當然我們知道，有些生產廠商公開他們的USB協議，并幫助Linux驅動程序的開發，然而有些生產廠商卻根本不公開他們的USB協議。因為每一個不同的協議都會產生一個新的驅動程序，所以就有了這個通用的USB驅動骨架程序， 它是以pci 骨架為模板的。 

如果你準備寫一個linux驅動程序，首先要熟悉USB協議規范。USB主頁上有它的幫助。一些比較典型的驅動可以在上面發現，同時還介紹了USB urbs的概念，而這個是usb驅動程序中最基本的。 

Linux USB 驅動程序需要做的第一件事情就是在Linux USB 子系統里注冊，并提供一些相關信息，例如這個驅動程序支持那種設備，當被支持的設備從系統插入或拔出時，會有哪些動作。所有這些信息都傳送到USB 子系統中，在usb骨架驅動程序中是這樣來表示的： 


static struct usb_driver skel_driver = { 
name: "skeleton", 
probe: skel_probe, 
disconnect: skel_disconnect, 
fops: &skel_fops, 
minor: USB_SKEL_MINOR_BASE, 
id_table: skel_table, 
}; 



變量name是一個字符串，它對驅動程序進行描述。probe 和disconnect 是函數指針，當設備與在id_table 中變量信息匹配時，此函數被調用。 

fops和minor變量是可選的。大多usb驅動程序鉤住另外一個驅動系統，例如SCSI，網絡或者tty子系統。這些驅動程序在其他驅動系統中注冊，同時任何用戶空間的交互操作通過那些接口提供，比如我們把SCSI設備驅動作為我們USB驅動所鉤住的另外一個驅動系統，那么我們此USB設備的read、write等操作，就相應按SCSI設備的read、write函數進行訪問。但是對于掃描儀等驅動程序來說，并沒有一個匹配的驅動系統可以使用，那我們就要自己處理與用戶空間的read、write等交互函數。Usb子系統提供一種方法去注冊一個次設備號和file_operations函數指針，這樣就可以與用戶空間實現方便地交互。


USB骨架程序的關鍵幾點如下： 

USB驅動的注冊和注銷 
Usb驅動程序在注冊時會發送一個命令給usb_register，通常在驅動程序的初始化函數里。 

當要從系統卸載驅動程序時，需要注銷usb子系統。即需要usb_unregister 函數處理： 


static void __exit usb_skel_exit(void) 
{ 
/* deregister this driver with the USB subsystem */ 
usb_deregister(&skel_driver); 
} 
module_exit(usb_skel_exit); 




當usb設備插入時，為了使linux-hotplug（Linux中PCI、USB等設備熱插拔支持）系統自動裝載驅動程序，你需要創建一個MODULE_DEVICE_TABLE。代碼如下（這個模塊僅支持某一特定設備）： 


/* table of devices that work with this driver */ 
static struct usb_device_id skel_table [] = { 
{ USB_DEVICE(USB_SKEL_VENDOR_ID, 
USB_SKEL_PRODUCT_ID) }, 
{ } /* Terminating entry */ 
}; 

MODULE_DEVICE_TABLE (usb, skel_table); 




USB_DEVICE宏利用廠商ID和產品ID為我們提供了一個設備的唯一標識。當系統插入一個ID匹配的USB設備到USB總線時，驅動會在USB core中注冊。驅動程序中probe 函數也就會被調用。usb_device 結構指針、接口號和接口ID都會被傳遞到函數中。 


static void * skel_probe(struct usb_device *dev, 
unsigned int ifnum, const struct usb_device_id *id) 




驅動程序需要確認插入的設備是否可以被接受，如果不接受，或者在初始化的過程中發生任何錯誤，probe函數返回一個NULL值。否則返回一個含有設備驅動程序狀態的指針。通過這個指針，就可以訪問所有結構中的回調函數。 

在骨架驅動程序里，最后一點是我們要注冊devfs。我們創建一個緩沖用來保存那些被發送給usb設備的數據和那些從設備上接受的數據，同時USB urb 被初始化，并且我們在devfs子系統中注冊設備，允許devfs用戶訪問我們的設備。注冊過程如下： 


/* initialize the devfs node for this device 
and register it */ 
sprintf(name, "skel%d", skel->minor); 
skel->devfs = devfs_register 
(usb_devfs_handle, name, 
DEVFS_FL_DEFAULT, USB_MAJOR, 
USB_SKEL_MINOR_BASE + skel->minor, 
S_IFCHR | S_IRUSR | S_IWUSR | 
S_IRGRP | S_IWGRP | S_IROTH, 
&skel_fops, NULL); 




如果devfs_register函數失敗，不用擔心，devfs子系統會將此情況報告給用戶。 

當然最后，如果設備從usb總線拔掉，設備指針會調用disconnect 函數。驅動程序就需要清除那些被分配了的所有私有數據、關閉urbs，并且從devfs上注銷調自己。





/* remove our devfs node */ 
devfs_unregister(skel->devfs); 




現在，skeleton驅動就已經和設備綁定上了，任何用戶態程序要操作此設備都可以通過file_operations結構所定義的函數進行了。首先，我們要open此設備。在open函數中MODULE_INC_USE_COUNT 宏是一個關鍵，它的作用是起到一個計數的作用，有一個用戶態程序打開一個設備，計數器就加一，例如，我們以模塊方式加入一個驅動，若計數器不為零，就說明仍然有用戶程序在使用此驅動，這時候，你就不能通過rmmod命令卸載驅動模塊了。 



/* increment our usage count for the module */ 
MOD_INC_USE_COUNT; 
++skel->open_count; 
/* save our object in the file's private structure */ 
file->private_data = skel; 




當open完設備后，read、write函數就可以收、發數據了。 

skel的write、和read函數 
他們是完成驅動對讀寫等操作的響應。 

在skel_write中，一個FILL_BULK_URB函數，就完成了urb 系統callbak和我們自己的skel_write_bulk_callback之間的聯系。注意skel_write_bulk_callback是中斷方式，所以要注意時間不能太久，本程序中它就只是報告一些urb的狀態等。 

read 函數與write 函數稍有不同在于：程序并沒有用urb 將數據從設備傳送到驅動程序，而是我們用usb_bulk_msg 函數代替，這個函數能夠不需要創建urbs 和操作urb函數的情況下，來發送數據給設備，或者從設備來接收數據。我們調用usb_bulk_msg函數并傳提一個存儲空間，用來緩沖和放置驅動收到的數據，若沒有收到數據，就失敗并返回一個錯誤信息。 

usb_bulk_msg函數 
當對usb設備進行一次讀或者寫時，usb_bulk_msg 函數是非常有用的; 然而, 當你需要連續地對設備進行讀/寫時，建議你建立一個自己的urbs，同時將urbs 提交給usb子系統。 

skel_disconnect函數 
當我們釋放設備文件句柄時，這個函數會被調用。MOD_DEC_USE_COUNT宏會被用到（和MOD_INC_USE_COUNT剛好對應，它減少一個計數器），首先確認當前是否有其它的程序正在訪問這個設備，如果是最后一個用戶在使用，我們可以關閉任何正在發生的寫，操作如下： 



/* decrement our usage count for the device */ 
--skel->open_count; 
if (skel->open_count <= 0) { 
/* shutdown any bulk writes that might be 
going on */ 
usb_unlink_urb (skel->write_urb); 
skel->open_count = 0; 
} 
/* decrement our usage count for the module */ 
MOD_DEC_USE_COUNT;







最困難的是，usb 設備可以在任何時間點從系統中取走，即使程序目前正在訪問它。usb驅動程序必須要能夠很好地處理解決此問題，它需要能夠切斷任何當前的讀寫，同時通知用戶空間程序：usb設備已經被取走。 

如果程序有一個打開的設備句柄，在當前結構里，我們只要把它賦值為空，就像它已經消失了。對于每一次設備讀寫等其它函數操作，我們都要檢查usb_device結構是否存在。如果不存在，就表明設備已經消失，并返回一個-ENODEV錯誤給用戶程序。當最終我們調用release 函數時，在沒有文件打開這個設備時，無論usb_device結構是否存在、它都會清空skel_disconnect函數所作工作。 

Usb 骨架驅動程序，提供足夠的例子來幫助初始人員在最短的時間里開發一個驅動程序。更多信息你可以到linux usb開發新聞組去尋找。



U盤、USB讀卡器、MP3、數碼相機驅動 

對于一款windows下用的很爽的U盤、USB讀卡器、MP3或數碼相機，可能Linux下卻不能支持。怎么辦？其實不用傷心，也許經過一點點的工作，你就可以很方便地使用它了。通常是此U盤、USB讀卡器、MP3或數碼相機在WindowsXP中不需要廠商專門的驅動就可以識別為移動存儲設備，這樣的設備才能保證成功，其他的就看你的運氣了。 

USB存儲設備，他們的read、write等操作都是通過上章節中提到的鉤子，把自己的操作鉤到SCSI設備上去的。我們就不需要對其進行具體的數據讀寫處理了。 

第一步：我們通過cat /proc/bus/usb/devices得到當前系統探測到的USB總線上的設備信息。它包括Vendor、ProdID、Product等。下面是我買的一款雜牌CF卡讀卡器插入后的信息片斷： 



T: Bus=01 Lev=01 Prnt=01 Port=01 Cnt=02 Dev#= 5 Spd=12 MxCh= 0 
D: Ver= 1.10 Cls=00(>ifc ) Sub=00 Prot=00 MxPS=8 #Cfgs= 1 
P: Vendor=07c4 ProdID=a400 Rev= 1.13 
S: Manufacturer=USB 
S: Product=Mass Storage 
C:* #Ifs= 1 Cfg#= 1 Atr=80 MxPwr=70mA 
I: If#= 0 Alt= 0 #EPs= 2 Cls=08(vend.) Sub=06 Prot=50 Driver=usb-storage 
E: Ad=81(I) Atr=02(Bulk) MxPS= 64 Ivl= 0ms 
E: Ad=02(O) Atr=02(Bulk) MxPS= 64 Ivl= 0ms 




其中，我們最關心的是Vendor=07c4 ProdID=a400和Manufacturer=USB（果然是雜牌，廠商名都看不到）Product= Mass Storage。 

對于這些移動存儲設備，我們知道Linux下都是通過usb-storage.o驅動模擬成scsi設備去支持的，之所以不支持，通常是usb-storage驅動未包括此廠商識別和產品識別信息（在類似skel_probe的USB最初探測時被屏蔽了）。對于USB存儲設備的硬件訪問部分，通常是一致的。所以我們要支持它，僅需要修改usb-storage中關于廠商識別和產品識別列表部分。 

第二部，打開drivers/usb/storage/unusual_devs.h文件，我們可以看到所有已知的產品登記表，都是以UNUSUAL_DEV（idVendor, idProduct, bcdDeviceMin, bcdDeviceMax, vendor_name, product_name, use_protocol, use_transport, init_function, Flags）方式登記的。其中相應的涵義，你就可以根據命名來判斷了。所以只要我們如下填入我們自己的注冊，就可以讓usb-storage驅動去認識和發現它。 


UNUSUAL_DEV(07c4, a400, 0x0000, 0xffff, 
" USB ", " Mass Storage ", 
US_SC_SCSI, US_PR_BULK, NULL, 
US_FL_FIX_INQUIRY | US_FL_START_STOP |US_FL_MODE_XLATE ) 




注意：添加以上幾句的位置，一定要正確。比較發現，usb-storage驅動對所有注冊都是按idVendor, idProduct數值從小到大排列的。我們也要放在相應位置。 

最后，填入以上信息，我們就可以重新編譯生成內核或usb-storage.o模塊。這時候插入我們的設備就可以跟其他U盤一樣作為SCSI設備去訪問了。



目前很多鍵盤都有飛梭和手寫板，下面我們就嘗試為一款鍵盤飛梭加入一個驅動。在通常情況，當我們插入USB接口鍵盤時，在/proc/bus/usb/devices會看到多個USB設備。比如：你的USB鍵盤上的飛梭會是一個，你的手寫板會是一個，若是你的USB鍵盤有USB擴展連接埠，也會看到。