基于Linux的USB從設備驅動研究

0 引言
USB是英文Universal Serial Bus的縮寫，意為通用串行總線。USB是一種快速、雙向、同步、低成本、動態可連接的串行接口。USB現在已經廣泛應用到各種設備上，尤其是手持設備，幾乎都采用了USB接口。現在，USB即可用來與其他設備連接后高速地傳遞數據，又可用來充電，使手持設備可以發揮U盤、MODEM、無線網卡等作用。
事實上，USB只是主機和外圍設備之間的連接。如何來促使這種連接發揮作用，就需要驅動程序。驅動程序主要解決硬件“需要提供什么功能”以及“如何使用這些功能”。在linux系統中，USB設備可以作為主機使用，也可作為從設備使用。對應的USB驅動程序有兩種主要的類型：宿主系統上的驅動程序和設備上的驅動程序。從宿主的觀點來看(例如普通的左桌面計算機)，宿主系統的USB驅動程序控制插入其中的USB設備，而USB設備的驅動程序則控制該設備如何作為一個USB設備和主機通信。

1 USB設備基礎
USB設備的構成包括配置接口和端點，以及USB驅動程序如何綁定到USB接口上。端點是USB通信最基本的形式，USB端點只能是往一個方向傳送數據，即從主機到設備(稱為輸出端點)或者從設備到主機(稱為輸入端點)，故可以看作是單向管道。USB有四種不同的類型，分別對應不同的傳輸類型：控制、中斷、批量、等時。其次接口，USB端點被綁定即為接口。USB的一個接口只處理一種USB邏輯連接；一個USB設備可以有多個接口，不同的接口可以代表不同的功能，因此，功能不同的USB接口需要不同的驅動程序。另外就是配置，USB接口本身被綁定為配置。一個USB設備可以有多個配置，而且可以在配置之間切換以改變設備的狀態；一個時刻只能激活一個配置，怛一個配置通常具有一個或者更多的接口。
USB設備可由許多不同的邏輯單元組成，實際上，也就是這三種邏輯單元組合而成的。Linux內核中的USB代碼一般要用URB (usbrequst block)與USB設備通信。URB用struct urb結構體描述，它能以一種異步的方式往／從特定的USB端點發送／接收數據。USB設備驅動程序可能會為單個端點分配許多的URB，也可能對許多不同的端點重用單個URB，這取決于驅動的需要。當USB驅動程序只發送或接收一些簡單的USB數據時，可以使用兩個很簡單的接口函數：usb_bulk_msg、usb_control_msg。

2 USB設備驅動程序的結構
圖1所示是Linux環境下USB驅動的總體結構。從圖l中可以看到：在主機側層次結構中，實現USB驅動有兩類方式：USB主機控制器驅動和USB設備驅動；USB主機控制驅動主要控制插入其中的USB設備，主機控制器可以分為三類，分別對應于三種USB主控制器；USB設備驅動則用于控制USB設備如何與主機通信；USB核心負責USB驅動管理和協議處理的主要工作。

USB核心向上可為設備驅動提供編程接口，向下可為USB主機控制器驅動提供編程接口；它可以通過全局變量維護整個系統的USB設備信息，從而完成設備的熱插拔控制和總線數據傳輸控制等驅動。
另外，在從設備側，Linux內核中的USB設備側驅動程序可分為3個層次：USB設備控制器(UDC)驅動程序、Gadget API和Gadget驅動程序；UDC驅動程序可直接訪問硬件，控制USB設備和主機間的底層通信，并向上層提供和硬件相關的操作回調函數。不同的設備控制器硬件有不同的設備控制器驅動程序；Gadget驅動主要控制USB設備功能的實現，它使用Gadget API傳遞控制信息給UDC驅動程序，以便實現具體功能。
Gadget API是設備控制器的控制功能抽象接口，Gadget驅動程序可以試用Gadget API，它可以把下層的UDC驅動程序和上層Gadget驅動程序相隔離，以使得在linux系統中編寫USB設備側驅動程序時，能夠把功能的實現和底層通信相分離。
如果要在S3c24．10上實現大存儲類從設備，則需要運行file_storage．c和s3c2410_udc．c這兩個驅動程序。file_stoarge．c具體控制USB設備功能的實現，它使用Gadget API來控制s3c2410．c以實現其功能。s3c2410．c驅動程序可直接訪問硬件，以控制USB設備和主機間的底層通信，同時向上層提供和硬件相關操作的回調函數。