原创 Linux环境下USB的原理、驱动和配置

　　在一轮探测过后，我们就有了一个端点，在还没有发现批量IN类型的端点时，探测该端点方向是否为IN，这可以通过检查USB_DIR_IN是否包含在bEndpointAddress端点变量有确定，如果是的话，我们在探测该端点类型是否为批量，先用USB_ENDPOINT_XFERTYPE_MASK位掩来取bmAttributes变量的值，然后探测它是否和USB_ENDPOINT_XFER_BULK值匹配：

　　              if (!dev->bulk_out_endpointAddr &&

　　                  !(endpoint->bEndpointAddress & USB_DIR_IN) &&

　　                  ((endpoint->bmAttributes & USB_ENDPOINT_XFERTYPE_MASK)

　　                                   == USB_ENDPOINT_XFER_BULK))

　　如果所有这些探测都通过了，驱动程序就知道它已经发现了正确的端点类型，可以把该端点的相关信息保存到一个局部结构体中以便稍后用它来和端点进行通信：

　　                     /* 找到一个批量IN类型的端点 */

　　                     buffer_size = endpoint->wMaxPacketSize;

　　                     dev->bulk_in_size = buffer_size;

　　                     dev->bulk_in_endpointAddr = endpoint->bEndpointAddress;

　　                     dev->bulk_in_buffer = kmalloc(buffer_size, GFP_KERNEL);

　　                     if (!dev->bulk_in_buffer) {

　　                            err("Could not allocate bulk_in_buffer");

　　                            goto error;

　　                     }

　　因为USB驱动程序要在设备的生命周期的稍后时间获取和接口相关联的局部数据结构体，所以调用了usb_set_intfdata函数，把它保存到struct usb_interface结构体中以便后面的访问

　　       /* 把数据指针保存到这个接口设备中 */

　　       usb_set_intfdata(interface, dev);

　　我们以后调用usb_set_intfdata函数来获取数据。当这一切都完成后，USB驱动程序必须在探测函数中调用usb_register_dev函数来把该设备注册到USB核心里：

　　       /* 注册设备到USB核心 */

　　       retval = usb_register_dev(interface, &skel_class);

　　       if (retval) {

　　              /* 有些情况下是不允许注册驱动程序的 */

　　              err("Not able to get a minor for this device.");

　　              usb_set_intfdata(interface, NULL);

　　              goto error;

　　       }

　　当一个USB设备被断开时，和该设备相关联的所有资源都应该被尽可能的清理掉，在此时，如果已在在探测函数中调 用了注册函数来为该USB设备分配了一个次设备号话，必须调用usb_deregister_dev函数来把次设备号交还给USB核心。在断开函数中，从接口获取之前调用usb_set_intfdata设置的任何数据也是很重要的。然后设置struct usb_interface结构体中的数据指针为NULL，以防任何不适当的对该数据的错误访问。

　　在探测函数中会对每一个接口进行一次探测，所以我们在写USB驱动程序的时候，只要做好第一个端点，其它的端点就会自动完成探测。在探测函数中我们要注意的是在内核中用结构体struct usb_host_endpoint来描述USB端点，这个结构体在另一个名为struct usb_endpoint_descriptor的结构体中包含了真正的端点信息，struct usb_endpoint_descriptor结构体包含了所有的USB特定的数据，该结构体中我们要关心的几个字段是：

　　bEndpointAddress：这个是特定的USB地址，可以结合USB_DIR_IN和USB_DIR_OUT来使用，以确定该端点的数据是传向设备还是主机。

　　bmAttributes：这个是端点的类型，这个值可以结合位掩码USB_ENDPOINT_XFERTYPE_MASK来使用，以确定此端点的类型是USB_ENDPOINT_XFER_ISOC（等时）、USB_ENDPOINT_XFER_BULK（批量）、USB_ENDPOINT_XFER_INT的哪一种。

　　wMaxPacketSize：这个是端点一次可以处理的最大字节数，驱动程序可以发送数量大于此值的数据到端点，在实际传输中，数据量如果大于此值会被分割。

　　bInterval：这个值只有在端点类型是中断类型时才起作用，它是端点中断请求的间隔时间，以毫秒为单位。

　　提交和控制urb：当驱动程序有数据要发送到USB设备时（大多数情况是在驱动程序的写函数中），要分配一个urb来把数据传输给设备：

　　      /* 创建一个urb,并且给它分配一个缓存*/

　　       urb = usb_alloc_urb(0, GFP_KERNEL);

　　       if (!urb) {

　　              retval = -ENOMEM;

　　              goto error;

　　       }

　　当urb被成功分配后，还要创建一个DMA缓冲区来以高效的方式发送数据到设备，传递给驱动程序的数据要复制到这块缓冲中去：

　　       buf = usb_buffer_alloc(dev->udev, count, GFP_KERNEL, &urb->transfer_dma);

　　       if (!buf) {

　　              retval = -ENOMEM;

　　              goto error;

　　       }

　　       if (copy_from_user(buf, user_buffer, count)) {

　　              retval = -EFAULT;

　　              goto error;

　　       }

　　当数据从用户空间正确复制到局部缓冲区后，urb必须在可以被提交给USB核心之前被正确初始化：

　　       /* 初始化urb */

　　       usb_fill_bulk_urb(urb, dev->udev,

　　                       usb_sndbulkpipe(dev->udev, dev->bulk_out_endpointAddr),

　　                       buf, count, skel_write_bulk_callback, dev);

　　       urb->transfer_flags |= URB_NO_TRANSFER_DMA_MAP;

　　然后urb就可以被提交给USB核心以传输到设备了：

　　       /* 把数据从批量OUT端口发出 */

　　       retval = usb_submit_urb(urb, GFP_KERNEL);

　　       if (retval) {

　　              err("%s - failed submitting write urb, error %d", __FUNCTION__, retval);

　　              goto error;

　　       }

　　当urb被成功传输到USB设备之后，urb回调函数将被USB核心调用，在我们的例子中，我们初始化urb，使它指向skel_write_bulk_callback函数，以下就是该函数：

　　 static void skel_write_bulk_callback(struct urb *urb, struct pt_regs *regs)

　　{

　　       struct usb_skel *dev;

　　       dev = (struct usb_skel *)urb->context;

　　       if (urb->status &&

　　           !(urb->status == -ENOENT ||

　　             urb->status == -ECONNRESET ||

　　             urb->status == -ESHUTDOWN)) {

　　              dbg("%s - nonzero write bulk status received: %d",

　　                  __FUNCTION__, urb->status);

　　       }

　　 　　       /* 释放已分配的缓冲区 */

　　       usb_buffer_free(urb->dev, urb->transfer_buffer_length,

　　                     urb->transfer_buffer, urb->transfer_dma);

　　}

　　有时候USB驱动程序只是要发送或者接收一些简单的数据，驱动程序也可以不用urb来进行数据的传输，这是里涉及到两个简单的接口函数：usb_bulk_msg和usb_control_msg ，在这个USB框架程序里读操作就是这样的一个应用：

　　         /* 进行阻塞的批量读以从设备获取数据 */

　　       retval = usb_bulk_msg(dev->udev,

　　                           usb_rcvbulkpipe(dev->udev, dev->bulk_in_endpointAddr),

　　                           dev->bulk_in_buffer,

　　                           min(dev->bulk_in_size, count),

　　                           &count, HZ*10);

　　 　　               /*如果读成功，复制到用户空间 */

　　       if (!retval) {

　　              if (copy_to_user(buffer, dev->bulk_in_buffer, count))

　　                     retval = -EFAULT;

　　              else

　　                     retval = count;

　　      }

　　USB_bulk_msg接口函数的定义如下：

　　int usb_bulk_msg(struct usb_device *usb_dev,unsigned int pipe,

　　void *data,int len,int *actual_length,int timeout);

　　其参数为：

　　struct usb_device *usb_dev：指向批量消息所发送的目标USB设备指针。

　　unsigned int pipe：批量消息所发送目标USB设备的特定端点，此值是调用usb_sndbulkpipe或者usb_rcvbulkpipe来创建的。

　　void *data：如果是一个OUT端点，它是指向即将发送到设备的数据的指针。如果是IN端点，它是指向从设备读取的数据应该存放的位置的指针。

　　int len：data参数所指缓冲区的大小。

　　int *actual_length：指向保存实际传输字节数的位置的指针，至于是传输到设备还是从设备接收取决于端点的方向。

　　int timeout：以Jiffies为单位的等待的超时时间，如果该值为0，该函数一直等待消息的结束。

　　如果该接口函数调用成功，返回值为0，否则返回一个负的错误值。

　　usb_control_msg接口函数定义如下：

　　int usb_control_msg(struct usb_device *dev,unsigned int pipe,__u8    request,__u8requesttype,__u16 value,__u16 index,void *data,__u16 size,int timeout)

　　除了允许驱动程序发送和接收USB控制消息之外，usb_control_msg函数的运作和usb_bulk_msg函数类似，其参数和usb_bulk_msg的参数有几个重要区别：

　　struct usb_device *dev：指向控制消息所发送的目标USB设备的指针。

　　unsigned int pipe：控制消息所发送的目标USB设备的特定端点，该值是调用usb_sndctrlpipe或usb_rcvctrlpipe来创建的。

　　__u8 request：控制消息的USB请求值。

　　__u8 requesttype：控制消息的USB请求类型值。

　　__u16 value：控制消息的USB消息值。

　　__u16 index：控制消息的USB消息索引值。

　　void *data：如果是一个OUT端点，它是指身即将发送到设备的数据的指针。如果是一个IN端点，它是指向从设备读取的数据应该存放的位置的指针。

　　__u16 size：data参数所指缓冲区的大小。

　　int timeout：以Jiffies为单位的应该等待的超时时间，如果为0，该函数将一直等待消息结束。

　　如果该接口函数调用成功，返回传输到设备或者从设备读取的字节数；如果不成功它返回一个负的错误值。

　　这两个接口函数都不能在一个中断上下文中或者持有自旋锁的情况下调用，同样，该函数也不能被任何其它函数取消，使用时要谨慎。

　　我们要给未知的USB设备写驱动程序，只需要把这个框架程序稍做修改就可以用了，前面我们已经说过要修改制造商和产品的ID号，把0xfff0这两个值改为未知USB的ID号。

　　#define USB_SKEL_VENDOR_ID      0xfff0

　　#define USB_SKEL_PRODUCT_ID     0xfff0

　　还有就是在探测函数中把需要探测的接口端点类型写好，在这个框架程序中只探测了批量（USB_ENDPOINT_XFER_BULK）IN和OUT端点，可以在此处使用掩码（USB_ENDPOINT_XFERTYPE_MASK）让其探测其它的端点类型，驱动程序会对USB设备的每一个接口进行一次探测，当探测成功后，驱动程序就被绑定到这个接口上。再有就是urb的初始化问题，如果你只写简单的USB驱动，这块不用多加考虑，框架程序里的东西已经够用了，这里我们简单介绍三个初始化urb的辅助函数：

　　usb_fill_int_urb ：它的函数原型是这样的：

　　void usb_fill_int_urb(struct urb *urb,struct usb_device *dev,

　　unsigned int pipe,void *transfer_buff,

　　int buffer_length,usb_complete_t complete,

　　void *context,int interval);

　　这个函数用来正确的初始化即将被发送到USB设备的中断端点的urb。

　　usb_fill_bulk_urb ：它的函数原型是这样的：

　　void usb_fill_bulk_urb(struct urb *urb,struct usb_device *dev,

　　unsigned int pipe,void *transfer_buffer,

　　int buffer_length,usb_complete_t complete)

　　这个函数是用来正确的初始化批量urb端点的。

　　usb_fill_control_urb ：它的函数原型是这样的：

　　void usb_fill_control_urb(struct urb *urb,struct usb_device *dev,unsigned int pipe,unsigned char *setup_packet,void *transfer_buffer,int buffer_length,usb_complete_t complete,void *context);

　　这个函数是用来正确初始化控制urb端点的。

　　还有一个初始化等时urb的，它现在还没有初始化函数，所以它们在被提交到USB核心前，必须在驱动程序中手工地进行初始化，可以参考内核源代码树下的/usr/src/~/drivers/usb/media下的konicawc.c文件。

　　驱动模块的编译、配置和使用

　　现在我们的驱动程序已经大体写好了，然后在Linux下把它编译成模块就可以把驱动模块插入到内核中运行了，编译的Makefile文件可以这样来写：

　　ifneq ($(KERNELRELEASE),)

　　       obj-m := xxx.o

　　else

　　       KERNELDIR ?= /lib/modules/$(shell uname -r)/build

　　       PWD := $(shell pwd)

　　default:

　　       $(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(PWD) modules

　　endif

　　clean:

　　       rm -rf *.mod.* *.o *.ko .*.ko.* .tmp* .*.mod.o.* .*.o.*

　　其中xxx是源文件的文件名，在linux下直接执行make就可以生成驱动模块（xxx.ko）了。生成驱动模块后使用insmod xxx.ko就可以插入到内核中运行了，用lsmod可以看到你插入到内核中的模块，也可以从系统中用命令rmmod xxx把模块卸载掉；如果把编译出来的驱动模块拷贝到/lib/modules/~/kernel/drivers/usb/下，然后depmod一下，那么你在插入USB设备的时候，系统就会自动为你加载驱动模块的；当然这个得有hotplug的支持；加载驱动模块成功后就会在/dev/下生成设备文件了，如果用命令cat/proc/bus/usb/devices，我们可以看到驱动程序已经绑定到接口上了：

　　T:  Bus="03" Lev="01" Prnt="01" Port="01" Cnt="01" Dev#=  2 Spd="12"  MxCh= 0

　　D:  Ver= 1.10 Cls="02"(comm.) Sub="00" Prot="00" MxPS= 8 #Cfgs=  1

　　P:  Vendor="1234" ProdID="2345" Rev= 1.10

　　C:* #Ifs= 1 Cfg#= 1 Atr="c0" MxPwr=  0mA

　　I:  If#= 1 Alt= 0 #EPs= 2 Cls="0a"(data ) Sub="00" Prot="00" Driver="test"_usb_driver /*我们的驱动*/

　　E:  Ad="01"(O) Atr="02"(Bulk) MxPS=  64 Ivl="0ms"

　　E:  Ad="82"(I) Atr="02"(Bulk) MxPS=  64 Ivl="0ms"

　　此框架程序生成的是skel0（可以自由修改）的设备文件，现在就可以对这个设备文件进行打开、读写、关闭等的操作了。

　　面对层出不穷的新的USB设备，必须有人不断编写新的驱动程序以便让这些设备能够在linux下正常的工作，从这个意义上讲，驱动程序的编写本身就是一件非常有意义的工作，本文只是起到一个抛砖引玉的作用，帮助那些有志于写驱动程序的开发人员进一步了解USB驱动程序的设计思路，从而吸引更多的人加入到这个队伍中来。linux不仅为我们提供了一个顶级质量的操作系统，而且也为我们提供了参与到其未来开发过程的机会，我们完全可以从中得到无尽的快乐！