嵌入式Linux下USB驅動程序的設計

　　一、引言

　　USB(Universal Serial Bus)即通用串行總線，是一種全新的雙向同步傳輸的支持熱插拔的數據傳輸總線，其目的是為了提供一種兼容不同速度的、可擴充的并且使用方便的外圍設備接口，同時也是為了解決計算機接口的太多的弊端而設計的。一個USB系統主要有三部分組成：USB互連、USB主機、USB設備三部分組成的，其結構如圖1所示。在編寫USB設備驅動程序設計時，可以分為三部分編寫：主機端設備驅動程序、主機控制器驅動程序設計和設備端驅動程序三部分，在本文中重點介紹主機端驅動程序的設計。

　　二、USB設備驅動程序的設計

　　USB設備驅動程序的設計包括主機端設備驅動程序設計、主機控制器驅動程序設計和設備端驅動程序設計三部分組成。主機端設備驅動程序就是通常說的設備驅動程序，它是主機環境中為用戶應用程序提供一個訪問USB外設的接口。Linux為這部分驅動程序提供編程接口，驅動程序設計者只要按照需求編寫驅動程序框架，通過調用操作系統提供的API接口函數可以完成對USB外設的特定訪問。

　　主機控制驅動主要是對USB主機控制器的驅動，在大多數PC環境下，主機控制器都是由操作系統提供。嵌入式設備一般都沒有USB主機控制器，只是工作在Slave模式下。如果要使USB具有主機功能，那么設備中需要選用一個帶主機控制器的USB接口控制芯片， 同時自己還要有實現該主機控制器的驅動程序。目前Linux內核中只提供USB主機控制器的開放主機控制器和通用主機控制器接口兩種規格，而這兩種規格主要用在PC架構中。USB主機端驅動程序與主機控制器的結構如圖2所示。其中USB核是Linux的一個子模塊，集中定義了一組USB相關的數據結構、宏以及API函數。

　　USB設備驅動程序是常說的設備固件程序的一部分，提供設備信息與主機的通信接口。設備端USB驅動程序設計由以下幾部分處理程序組成。初始化例程：完成描述符指針、端點、配置改變等操作。數據傳輸例程：完成控制傳輸、批量傳輸、中斷傳輸及同步傳輸等傳輸方式下的數據收發工作。標準設備處理請求：處理標準設備請求。廠商請求處理：處理生產商指定請求。其他操作：處理主機發出的端口復位、配置改變等操作。

　　1.USB設備驅動程序框架

　　USB驅動程序首先要向Linux內核注冊自己，并告訴系統它所支持的設備類型以及它所支持的操作。這些信息通過一個usb_driver結構來傳遞。usb_driver結構如下：

　　static struct usb_driver skel_driver = {

　　name: "skeleton"；/*驅動程序的名稱*/

　　probe: skel_probe； /*設備列舉時被調用*/

　　disconnect: skel_disconnect； /*設備被卸載時被調用*/

　　fops: skel_fops； /*指向一個file_operation結構，內核通過它來訪問驅動程序的文件操作函數，與用戶程序的read、write等操作進行交互*/

　　minor USB_SKEL_MINOR_BASE； /*指向設備的次設備號，用于系統識別主設備號相同的設備（即一個驅動程序可以同時支持多個USB設備*/

　　id_table: skel_table； /*保存設備的廠商ID和產品ID，作為該設備的唯一標識，驅動程序向系統注冊后，當下次插入時，系統根據這個標識查找正確的驅動程序，實現設備的即插即用*/

　　};

　　static struct file_operation skel_fops={

　　{

　　owner:THIS_MODULE,

　　read:skel_read,

　　write:skel_write,

　　ioctl:skel_ioctl,

　　open:skel_open,

　　release:skel_release,

　　};

　　（1）注冊和注銷

　　USB驅動程序注冊，就是把在初始化函數中填好的use_driver結構作為參數傳遞給

　　use_register()函數即可，函數的調用方法為：

　　result=usb_register(skel_driver);

　　當要從系統卸載驅動程序時，也是將use_driver結構作為參數傳遞給usb_deregister 函數處理。 函數的調用格式為：

　　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，需要創建一個MODULE_DEVICE_TABLE。核心代碼如下（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。