方 騫，倪遠平

(昆明理工大學(xué)，昆明650051)

1 引言

隨著電腦軟件和硬件的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的接口如串口、并口等通訊方式已經(jīng)不能滿足現(xiàn)有系統(tǒng)或者設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸需求。在這個背景下，以Intel為首的七家公司于1994年推出了USB(Universal Serial Bus)通用串行總線協(xié)議概念，主要是為了解決接口標(biāo)準(zhǔn)太多、傳輸速率偏低的弊端。每個USB設(shè)備都有專門的驅(qū)動程序來支持，研究所有USB驅(qū)動程序共同的部分，為快速開發(fā)不同USB設(shè)備的驅(qū)動程序提供了一個參考框架，節(jié)省了開發(fā)周期。

通過介紹Linux驅(qū)動程序的相關(guān)知識，以及對USB系統(tǒng)的深入理解，試圖構(gòu)造一個Linux下最小的USB驅(qū)動程序框架。

2 Linux驅(qū)動程序

在Linux內(nèi)核中，任何設(shè)備都是以相對應(yīng)的文件方式存在的，對設(shè)備的任何操作實際上都是通過對這個設(shè)備文件的操作完成的。讀寫設(shè)備文件就相當(dāng)于操作設(shè)備的輸入和輸出。由于各個設(shè)備文件所對應(yīng)的接口不同，設(shè)備驅(qū)動程序在Linux內(nèi)核中就起著這樣一個特殊的作用，它們像一個個黑盒子一樣，使某個特定的硬件響應(yīng)一個定義良好的內(nèi)部編程接口，而這些接口完全隱藏了設(shè)備的工作細節(jié)，它們對用戶來說是完全透明的，甚至感覺不到它們的存在。實際上，當(dāng)用戶進行操作時，內(nèi)核將這種操作轉(zhuǎn)換成一組標(biāo)準(zhǔn)化的調(diào)用再繼續(xù)執(zhí)行，而設(shè)備驅(qū)動程序的任務(wù)就是將這些調(diào)用映射到作用于實際硬件設(shè)備的特有操作上。

Linux系統(tǒng)設(shè)備有三種，一般分為字符設(shè)備、塊設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。字符設(shè)備是能夠像字節(jié)流一樣被訪問的設(shè)備，沒有緩存，對它的讀寫是以字節(jié)為單位的。塊設(shè)備上的數(shù)據(jù)以塊的形式存放，讀寫都有緩存的支持，而且能夠隨機存取。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備同時具有字符設(shè)備和塊設(shè)備的部分特點，它的輸入和輸出是有結(jié)構(gòu)的，但數(shù)據(jù)的大小卻是不固定的。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備在Linux里有一系列專門的處理方式，這里就不再詳細介紹。

3 USB基礎(chǔ)

3.1 USB的硬件結(jié)構(gòu)

USB(Universal Serial Bus)即“通用串行外部總線”，是主機和外圍設(shè)備之間的一種連接。USB采用四線電纜，其中兩根是用來傳送數(shù)據(jù)的串行通道，另外兩根為下游的設(shè)備提供電源。

USB是基于令牌的總線。USB主機控制器廣播令牌，總線上設(shè)備檢測令牌中的地址是否與自身相符，通過接收或發(fā)送數(shù)據(jù)給主機來響應(yīng)。USB系統(tǒng)采用級聯(lián)星型拓撲，該拓撲由三個基本部分組成:主機(Host)、集線器(Hub)和功能設(shè)備。USB主機控制器通過根集線器與其他USB設(shè)備相連。集線器也屬于USB設(shè)備，通過它可以在一個USB接口上擴展出多個接口。除根集線器外，最多可以層疊5個集線器。一條USB總線上可以外接127個設(shè)備，包括根集線器和其他集線器。圖1為USB總線的連接方式。

圖1 USB總線的連接方式

3.2 USB的軟件架構(gòu)

每個USB只有一個主機，它包括USB總線接口和USB系統(tǒng)。USB總線接口處理電氣層與協(xié)議層互連。USB系統(tǒng)用主控制器管理主機與USB設(shè)備間的數(shù)據(jù)傳輸，它與主控制器間的接口依賴于主控制器的硬件定義。同時，USB系統(tǒng)也負責(zé)管理USB資源，這使客戶訪問USB成為可能。

USB客戶軟件位于軟件結(jié)構(gòu)的最高層，負責(zé)處理特定USB設(shè)備驅(qū)動器?？蛻舫绦?qū)用枋鏊兄苯幼饔糜谠O(shè)備的軟件入口。當(dāng)設(shè)備被系統(tǒng)檢測到后，這些客戶程序?qū)⒅苯幼饔糜谕鈬布?。這個共享的特性將USB系統(tǒng)軟件置于客戶及其設(shè)備之間，由客戶程序?qū)SB驅(qū)動程序在客戶端形成的設(shè)備映像進行處理。

3.3 USB的數(shù)據(jù)流傳輸

端點是USB設(shè)備中的實際物理單元，USB數(shù)據(jù)傳輸就是在主機和USB設(shè)備各個端點之間進行的。USB端點有四種不同的類型，控制、中斷、批量和等時。控制和批量端點用于異步的數(shù)據(jù)傳輸，而中斷和等時端點是周期性的。USB端點只能往一個方向傳送數(shù)據(jù)，可以看作是單向管道，它被捆綁為接口，而USB接口只處理一種USB邏輯連接。USB接口本身又被捆綁為配置，一個USB設(shè)備可以有多個配置，而且可以在配置之間切換以改變設(shè)備的狀態(tài)。

4 Linux系統(tǒng)最小USB驅(qū)動程序框架實現(xiàn)

每個USB設(shè)備都會有一個相應(yīng)的驅(qū)動程序，結(jié)合Linux內(nèi)核源代碼，將討論所有USB設(shè)備所共通的部分，在這里并不列出全部代碼，而是將其中核心部分列出加以討論。

要實現(xiàn)一個USB的驅(qū)動程序，首先要構(gòu)造一個內(nèi)核模塊，這個模塊定義了兩個函數(shù)，其中一個在模塊被裝載到內(nèi)核時調(diào)用，而另一個則在模塊被移除時調(diào)用。此時，這個簡單的模塊還不是驅(qū)動程序，需要在這兩個函數(shù)內(nèi)加入注冊和注銷USB設(shè)備的函數(shù)才能成為一個驅(qū)動程序模塊。注冊函數(shù)在USB驅(qū)動程序加載時被調(diào)用，注銷函數(shù)在卸載時被調(diào)用。

demo_driver是一個usb_driver類型的結(jié)構(gòu)體，這個結(jié)構(gòu)體包括許多回調(diào)函數(shù)和變量，它們向USB核心代碼描述了USB驅(qū)動程序。以下是這個結(jié)構(gòu)體的主要成員:

THIS_MODULE是指向該驅(qū)動程序模塊所有者的指針，USB核心使用它來正確地對該USB驅(qū)動程序進行引用計數(shù)，使它不會在不合適的時刻被卸載掉。demo是指向驅(qū)動程序名字的指針，在內(nèi)核的所有USB驅(qū)動程序中它必須是唯一的，通常被設(shè)置為和驅(qū)動程序模塊相同的名字。

demo_table是指向struct usb_device_id表的指針。如果沒有設(shè)置該變量，USB驅(qū)動程序中的探測回調(diào)函數(shù)不會被調(diào)用。

MODULE_DEVICE_TABLE(usb，demo_table);

USB_DEMO_INFO_ID代表的是USB設(shè)備的主次設(shè)備號，在demo_table中包含很多條這樣的設(shè)備信息。只要其中包含所要連接的USB設(shè)備信息，主機就能識別這個設(shè)備。寫新的USB設(shè)備驅(qū)動時，也只需將新設(shè)備的主次設(shè)備號加入這個表中，就能被主機識別。

demo_probe和demo_disconnect是指向USB驅(qū)動程序中探測函數(shù)和斷開函數(shù)的指針。當(dāng)USB核心認為它有一個struct usb_interface可以由該驅(qū)動程序處理時，它將調(diào)用探測函數(shù)。

當(dāng)struct usb_interface被從系統(tǒng)中移除或者驅(qū)動程序正在從USB核心中卸載時，USB核心將調(diào)用斷開函數(shù)。

demo_class是探測函數(shù)和斷開函數(shù)中注冊某個設(shè)備或注銷某個設(shè)備時所調(diào)用的函數(shù)需要的參數(shù)，它是一個指向usb_class_driver結(jié)構(gòu)的指針，定義許多不同的參數(shù)，在注冊一個設(shè)備號時USB驅(qū)動程序需要USB核心知道這些參數(shù)。

demo是用來描述設(shè)備的名字。USB_DEMO_MINOR_BASE是為該驅(qū)動程序指派的次設(shè)備號范圍的開始值。與該驅(qū)動程序相關(guān)聯(lián)的所有設(shè)備都是唯一的，以該值開始遞增的次設(shè)備號來創(chuàng)建的。demo_fops是指向struct file_operations的指針，驅(qū)動程序定義該結(jié)構(gòu)體，用它來注冊為字符設(shè)備，其中包含了一組函數(shù)指針。每個打開的文件和一組函數(shù)關(guān)聯(lián)。這些操作主要用來實現(xiàn)系統(tǒng)調(diào)用，這里簡單定義了open、release、read、write這幾個最基本的函數(shù)。

現(xiàn)在，我們只需定義這幾個空函數(shù)，就可以實現(xiàn)一個最小的USB驅(qū)動程序的框架。

5 結(jié)束語

隨著USB接口的廣泛應(yīng)用，對于USB驅(qū)動程序的研究顯得尤為重要。USB驅(qū)動程序框架，實現(xiàn)的是USB設(shè)備不同應(yīng)用程序之外所共有的部分，只要在程序中加入不同設(shè)備的信息，就能夠完成對不同設(shè)備的識別。如果要實現(xiàn)USB設(shè)備的不同功能，僅需要修改驅(qū)動程序中demo_fops結(jié)構(gòu)體中的操作函數(shù)就能夠完成。試驗證明，上面設(shè)計的程序運行良好，通用性很高，具有很強的可移植性。

［1］ ［美］Jonathan Corbet，Alessandro Rubini，Greg Kroah-Hartman，著.Linux設(shè)備驅(qū)動程序［M］.魏永明，耿岳，鐘書毅，譯.北京:中國電力出版社，2005.

［2］ 韋東山.嵌入式Linux應(yīng)用開發(fā)完全手冊［M］.北京:人民郵電出版社，2010.

［3］ 毛德操，胡希明.Linux內(nèi)核源代碼情景分析［M］.杭州:浙江大學(xué)出版社，2003.