linux usb 驅(qū)動(dòng)


我們知道了在Linux下如何去使用一些最常見(jiàn)的USB設(shè)備。但對(duì)于做系統(tǒng)設(shè)計(jì)的程序員來(lái)說(shuō)，這是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，我們還需要具有驅(qū)動(dòng)程序的閱讀、修改和開(kāi)發(fā)能力。在此下篇中，就是要通過(guò)簡(jiǎn)單的USB驅(qū)動(dòng)的例子，隨您一起進(jìn)入U(xiǎn)SB驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)的世界。 

USB骨架程序（usb-skeleton），是USB驅(qū)動(dòng)程序的基礎(chǔ)，通過(guò)對(duì)它源碼的學(xué)習(xí)和理解，可以使我們迅速地了解USB驅(qū)動(dòng)架構(gòu)，迅速地開(kāi)發(fā)我們自己的USB硬件的驅(qū)動(dòng)。 

USB驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā) 

在掌握了USB設(shè)備的配置后，對(duì)于程序員，我們就可以嘗試進(jìn)行一些簡(jiǎn)單的USB驅(qū)動(dòng)的修改和開(kāi)發(fā)了。這一段落，我們會(huì)講解一個(gè)最基礎(chǔ)USB框架的基礎(chǔ)上，做兩個(gè)小的USB驅(qū)動(dòng)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(gè)最基礎(chǔ)的USB驅(qū)動(dòng)程序。我們稱(chēng)為USB骨架。通過(guò)它我們僅需要修改極少的部分，就可以完成一個(gè)USB設(shè)備的驅(qū)動(dòng)。我們的USB驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)也是從她開(kāi)始的。 

那些linux下不支持的USB設(shè)備幾乎都是生產(chǎn)廠(chǎng)商特定的產(chǎn)品。如果生產(chǎn)廠(chǎng)商在他們的產(chǎn)品中使用自己定義的協(xié)議，他們就需要為此設(shè)備創(chuàng)建特定的驅(qū)動(dòng)程序。當(dāng)然我們知道，有些生產(chǎn)廠(chǎng)商公開(kāi)他們的USB協(xié)議，并幫助Linux驅(qū)動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)，然而有些生產(chǎn)廠(chǎng)商卻根本不公開(kāi)他們的USB協(xié)議。因?yàn)槊恳粋€(gè)不同的協(xié)議都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)新的驅(qū)動(dòng)程序，所以就有了這個(gè)通用的USB驅(qū)動(dòng)骨架程序， 它是以pci 骨架為模板的。 

如果你準(zhǔn)備寫(xiě)一個(gè)linux驅(qū)動(dòng)程序，首先要熟悉USB協(xié)議規(guī)范。USB主頁(yè)上有它的幫助。一些比較典型的驅(qū)動(dòng)可以在上面發(fā)現(xiàn)，同時(shí)還介紹了USB urbs的概念，而這個(gè)是usb驅(qū)動(dòng)程序中最基本的。 

Linux USB 驅(qū)動(dòng)程序需要做的第一件事情就是在Linux USB 子系統(tǒng)里注冊(cè)，并提供一些相關(guān)信息，例如這個(gè)驅(qū)動(dòng)程序支持那種設(shè)備，當(dāng)被支持的設(shè)備從系統(tǒng)插入或拔出時(shí)，會(huì)有哪些動(dòng)作。所有這些信息都傳送到USB 子系統(tǒng)中，在usb骨架驅(qū)動(dòng)程序中是這樣來(lái)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(gè)字符串，它對(duì)驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行描述。probe 和disconnect 是函數(shù)指針，當(dāng)設(shè)備與在id_table 中變量信息匹配時(shí)，此函數(shù)被調(diào)用。 

fops和minor變量是可選的。大多usb驅(qū)動(dòng)程序鉤住另外一個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，例如SCSI，網(wǎng)絡(luò)或者tty子系統(tǒng)。這些驅(qū)動(dòng)程序在其他驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中注冊(cè)，同時(shí)任何用戶(hù)空間的交互操作通過(guò)那些接口提供，比如我們把SCSI設(shè)備驅(qū)動(dòng)作為我們USB驅(qū)動(dòng)所鉤住的另外一個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，那么我們此USB設(shè)備的read、write等操作，就相應(yīng)按SCSI設(shè)備的read、write函數(shù)進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)。但是對(duì)于掃描儀等驅(qū)動(dòng)程序來(lái)說(shuō)，并沒(méi)有一個(gè)匹配的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可以使用，那我們就要自己處理與用戶(hù)空間的read、write等交互函數(shù)。Usb子系統(tǒng)提供一種方法去注冊(cè)一個(gè)次設(shè)備號(hào)和file_operations函數(shù)指針，這樣就可以與用戶(hù)空間實(shí)現(xiàn)方便地交互。


USB骨架程序的關(guān)鍵幾點(diǎn)如下： 

USB驅(qū)動(dòng)的注冊(cè)和注銷(xiāo) 
Usb驅(qū)動(dòng)程序在注冊(cè)時(shí)會(huì)發(fā)送一個(gè)命令給usb_register，通常在驅(qū)動(dòng)程序的初始化函數(shù)里。 

當(dāng)要從系統(tǒng)卸載驅(qū)動(dòng)程序時(shí)，需要注銷(xiāo)usb子系統(tǒng)。即需要usb_unregister 函數(shù)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(dāng)usb設(shè)備插入時(shí)，為了使linux-hotplug（Linux中PCI、USB等設(shè)備熱插拔支持）系統(tǒng)自動(dòng)裝載驅(qū)動(dòng)程序，你需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)MODULE_DEVICE_TABLE。代碼如下（這個(gè)模塊僅支持某一特定設(shè)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(chǎng)商ID和產(chǎn)品ID為我們提供了一個(gè)設(shè)備的唯一標(biāo)識(shí)。當(dāng)系統(tǒng)插入一個(gè)ID匹配的USB設(shè)備到USB總線(xiàn)時(shí)，驅(qū)動(dòng)會(huì)在USB core中注冊(cè)。驅(qū)動(dòng)程序中probe 函數(shù)也就會(huì)被調(diào)用。usb_device 結(jié)構(gòu)指針、接口號(hào)和接口ID都會(huì)被傳遞到函數(shù)中。 


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




驅(qū)動(dòng)程序需要確認(rèn)插入的設(shè)備是否可以被接受，如果不接受，或者在初始化的過(guò)程中發(fā)生任何錯(cuò)誤，probe函數(shù)返回一個(gè)NULL值。否則返回一個(gè)含有設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序狀態(tài)的指針。通過(guò)這個(gè)指針，就可以訪(fǎng)問(wèn)所有結(jié)構(gòu)中的回調(diào)函數(shù)。 

在骨架驅(qū)動(dòng)程序里，最后一點(diǎn)是我們要注冊(cè)devfs。我們創(chuàng)建一個(gè)緩沖用來(lái)保存那些被發(fā)送給usb設(shè)備的數(shù)據(jù)和那些從設(shè)備上接受的數(shù)據(jù)，同時(shí)USB urb 被初始化，并且我們?cè)赿evfs子系統(tǒng)中注冊(cè)設(shè)備，允許devfs用戶(hù)訪(fǎng)問(wèn)我們的設(shè)備。注冊(cè)過(guò)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(shù)失敗，不用擔(dān)心，devfs子系統(tǒng)會(huì)將此情況報(bào)告給用戶(hù)。 

當(dāng)然最后，如果設(shè)備從usb總線(xiàn)拔掉，設(shè)備指針會(huì)調(diào)用disconnect 函數(shù)。驅(qū)動(dòng)程序就需要清除那些被分配了的所有私有數(shù)據(jù)、關(guān)閉urbs，并且從devfs上注銷(xiāo)調(diào)自己。





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




現(xiàn)在，skeleton驅(qū)動(dòng)就已經(jīng)和設(shè)備綁定上了，任何用戶(hù)態(tài)程序要操作此設(shè)備都可以通過(guò)file_operations結(jié)構(gòu)所定義的函數(shù)進(jìn)行了。首先，我們要open此設(shè)備。在open函數(shù)中MODULE_INC_USE_COUNT 宏是一個(gè)關(guān)鍵，它的作用是起到一個(gè)計(jì)數(shù)的作用，有一個(gè)用戶(hù)態(tài)程序打開(kāi)一個(gè)設(shè)備，計(jì)數(shù)器就加一，例如，我們以模塊方式加入一個(gè)驅(qū)動(dòng)，若計(jì)數(shù)器不為零，就說(shuō)明仍然有用戶(hù)程序在使用此驅(qū)動(dòng)，這時(shí)候，你就不能通過(guò)rmmod命令卸載驅(qū)動(dòng)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(dāng)open完設(shè)備后，read、write函數(shù)就可以收、發(fā)數(shù)據(jù)了。 

skel的write、和read函數(shù) 
他們是完成驅(qū)動(dòng)對(duì)讀寫(xiě)等操作的響應(yīng)。 

在skel_write中，一個(gè)FILL_BULK_URB函數(shù)，就完成了urb 系統(tǒng)callbak和我們自己的skel_write_bulk_callback之間的聯(lián)系。注意skel_write_bulk_callback是中斷方式，所以要注意時(shí)間不能太久，本程序中它就只是報(bào)告一些urb的狀態(tài)等。 

read 函數(shù)與write 函數(shù)稍有不同在于：程序并沒(méi)有用urb 將數(shù)據(jù)從設(shè)備傳送到驅(qū)動(dòng)程序，而是我們用usb_bulk_msg 函數(shù)代替，這個(gè)函數(shù)能夠不需要?jiǎng)?chuàng)建urbs 和操作urb函數(shù)的情況下，來(lái)發(fā)送數(shù)據(jù)給設(shè)備，或者從設(shè)備來(lái)接收數(shù)據(jù)。我們調(diào)用usb_bulk_msg函數(shù)并傳提一個(gè)存儲(chǔ)空間，用來(lái)緩沖和放置驅(qū)動(dòng)收到的數(shù)據(jù)，若沒(méi)有收到數(shù)據(jù)，就失敗并返回一個(gè)錯(cuò)誤信息。 

usb_bulk_msg函數(shù) 
當(dāng)對(duì)usb設(shè)備進(jìn)行一次讀或者寫(xiě)時(shí)，usb_bulk_msg 函數(shù)是非常有用的; 然而, 當(dāng)你需要連續(xù)地對(duì)設(shè)備進(jìn)行讀/寫(xiě)時(shí)，建議你建立一個(gè)自己的urbs，同時(shí)將urbs 提交給usb子系統(tǒng)。 

skel_disconnect函數(shù) 
當(dāng)我們釋放設(shè)備文件句柄時(shí)，這個(gè)函數(shù)會(huì)被調(diào)用。MOD_DEC_USE_COUNT宏會(huì)被用到（和MOD_INC_USE_COUNT剛好對(duì)應(yīng)，它減少一個(gè)計(jì)數(shù)器），首先確認(rèn)當(dāng)前是否有其它的程序正在訪(fǎng)問(wèn)這個(gè)設(shè)備，如果是最后一個(gè)用戶(hù)在使用，我們可以關(guān)閉任何正在發(fā)生的寫(xiě)，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(shè)備可以在任何時(shí)間點(diǎn)從系統(tǒng)中取走，即使程序目前正在訪(fǎng)問(wèn)它。usb驅(qū)動(dòng)程序必須要能夠很好地處理解決此問(wèn)題，它需要能夠切斷任何當(dāng)前的讀寫(xiě)，同時(shí)通知用戶(hù)空間程序：usb設(shè)備已經(jīng)被取走。 

如果程序有一個(gè)打開(kāi)的設(shè)備句柄，在當(dāng)前結(jié)構(gòu)里，我們只要把它賦值為空，就像它已經(jīng)消失了。對(duì)于每一次設(shè)備讀寫(xiě)等其它函數(shù)操作，我們都要檢查usb_device結(jié)構(gòu)是否存在。如果不存在，就表明設(shè)備已經(jīng)消失，并返回一個(gè)-ENODEV錯(cuò)誤給用戶(hù)程序。當(dāng)最終我們調(diào)用release 函數(shù)時(shí)，在沒(méi)有文件打開(kāi)這個(gè)設(shè)備時(shí)，無(wú)論usb_device結(jié)構(gòu)是否存在、它都會(huì)清空skel_disconnect函數(shù)所作工作。 

Usb 骨架驅(qū)動(dòng)程序，提供足夠的例子來(lái)幫助初始人員在最短的時(shí)間里開(kāi)發(fā)一個(gè)驅(qū)動(dòng)程序。更多信息你可以到linux usb開(kāi)發(fā)新聞組去尋找。



U盤(pán)、USB讀卡器、MP3、數(shù)碼相機(jī)驅(qū)動(dòng) 

對(duì)于一款windows下用的很爽的U盤(pán)、USB讀卡器、MP3或數(shù)碼相機(jī)，可能Linux下卻不能支持。怎么辦？其實(shí)不用傷心，也許經(jīng)過(guò)一點(diǎn)點(diǎn)的工作，你就可以很方便地使用它了。通常是此U盤(pán)、USB讀卡器、MP3或數(shù)碼相機(jī)在WindowsXP中不需要廠(chǎng)商專(zhuān)門(mén)的驅(qū)動(dòng)就可以識(shí)別為移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備，這樣的設(shè)備才能保證成功，其他的就看你的運(yùn)氣了。 

USB存儲(chǔ)設(shè)備，他們的read、write等操作都是通過(guò)上章節(jié)中提到的鉤子，把自己的操作鉤到SCSI設(shè)備上去的。我們就不需要對(duì)其進(jìn)行具體的數(shù)據(jù)讀寫(xiě)處理了。 

第一步：我們通過(guò)cat /proc/bus/usb/devices得到當(dāng)前系統(tǒng)探測(cè)到的USB總線(xiàn)上的設(shè)備信息。它包括Vendor、ProdID、Product等。下面是我買(mǎi)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(guān)心的是Vendor=07c4 ProdID=a400和Manufacturer=USB（果然是雜牌，廠(chǎng)商名都看不到）Product= Mass Storage。 

對(duì)于這些移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備，我們知道Linux下都是通過(guò)usb-storage.o驅(qū)動(dòng)模擬成scsi設(shè)備去支持的，之所以不支持，通常是usb-storage驅(qū)動(dòng)未包括此廠(chǎng)商識(shí)別和產(chǎn)品識(shí)別信息（在類(lèi)似skel_probe的USB最初探測(cè)時(shí)被屏蔽了）。對(duì)于USB存儲(chǔ)設(shè)備的硬件訪(fǎng)問(wèn)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(guān)于廠(chǎng)商識(shí)別和產(chǎn)品識(shí)別列表部分。 

第二部，打開(kāi)drivers/usb/storage/unusual_devs.h文件，我們可以看到所有已知的產(chǎn)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(yīng)的涵義，你就可以根據(jù)命名來(lái)判斷了。所以只要我們?nèi)缦绿钊胛覀冏约旱淖?cè)，就可以讓usb-storage驅(qū)動(dòng)去認(rèn)識(shí)和發(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)，usb-storage驅(qū)動(dòng)對(duì)所有注冊(cè)都是按idVendor, idProduct數(shù)值從小到大排列的。我們也要放在相應(yīng)位置。 

最后，填入以上信息，我們就可以重新編譯生成內(nèi)核或usb-storage.o模塊。這時(shí)候插入我們的設(shè)備就可以跟其他U盤(pán)一樣作為SCSI設(shè)備去訪(fǎng)問(wèn)了。



目前很多鍵盤(pán)都有飛梭和手寫(xiě)板，下面我們就嘗試為一款鍵盤(pán)飛梭加入一個(gè)驅(qū)動(dòng)。在通常情況，當(dāng)我們插入U(xiǎn)SB接口鍵盤(pán)時(shí)，在/proc/bus/usb/devices會(huì)看到多個(gè)USB設(shè)備。比如：你的USB鍵盤(pán)上的飛梭會(huì)是一個(gè)，你的手寫(xiě)板會(huì)是一個(gè)，若是你的USB鍵盤(pán)有USB擴(kuò)展連接埠，也會(huì)看到。