基于Linux的USB從設(shè)備驅(qū)動(dòng)研究

0 引言
USB是英文Universal Serial Bus的縮寫(xiě)，意為通用串行總線。USB是一種快速、雙向、同步、低成本、動(dòng)態(tài)可連接的串行接口。USB現(xiàn)在已經(jīng)廣泛應(yīng)用到各種設(shè)備上，尤其是手持設(shè)備，幾乎都采用了USB接口?，F(xiàn)在，USB即可用來(lái)與其他設(shè)備連接后高速地傳遞數(shù)據(jù)，又可用來(lái)充電，使手持設(shè)備可以發(fā)揮U盤(pán)、MODEM、無(wú)線網(wǎng)卡等作用。
事實(shí)上，USB只是主機(jī)和外圍設(shè)備之間的連接。如何來(lái)促使這種連接發(fā)揮作用，就需要驅(qū)動(dòng)程序。驅(qū)動(dòng)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(tǒng)中，USB設(shè)備可以作為主機(jī)使用，也可作為從設(shè)備使用。對(duì)應(yīng)的USB驅(qū)動(dòng)程序有兩種主要的類(lèi)型：宿主系統(tǒng)上的驅(qū)動(dòng)程序和設(shè)備上的驅(qū)動(dòng)程序。從宿主的觀點(diǎn)來(lái)看(例如普通的左桌面計(jì)算機(jī))，宿主系統(tǒng)的USB驅(qū)動(dòng)程序控制插入其中的USB設(shè)備，而USB設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序則控制該設(shè)備如何作為一個(gè)USB設(shè)備和主機(jī)通信。

1 USB設(shè)備基礎(chǔ)
USB設(shè)備的構(gòu)成包括配置接口和端點(diǎn)，以及USB驅(qū)動(dòng)程序如何綁定到USB接口上。端點(diǎn)是USB通信最基本的形式，USB端點(diǎn)只能是往一個(gè)方向傳送數(shù)據(jù)，即從主機(jī)到設(shè)備(稱(chēng)為輸出端點(diǎn))或者從設(shè)備到主機(jī)(稱(chēng)為輸入端點(diǎn))，故可以看作是單向管道。USB有四種不同的類(lèi)型，分別對(duì)應(yīng)不同的傳輸類(lèi)型：控制、中斷、批量、等時(shí)。其次接口，USB端點(diǎn)被綁定即為接口。USB的一個(gè)接口只處理一種USB邏輯連接；一個(gè)USB設(shè)備可以有多個(gè)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(qū)動(dòng)程序。另外就是配置，USB接口本身被綁定為配置。一個(gè)USB設(shè)備可以有多個(gè)配置，而且可以在配置之間切換以改變?cè)O(shè)備的狀態(tài)；一個(gè)時(shí)刻只能激活一個(gè)配置，怛一個(gè)配置通常具有一個(gè)或者更多的接口。
USB設(shè)備可由許多不同的邏輯單元組成，實(shí)際上，也就是這三種邏輯單元組合而成的。Linux內(nèi)核中的USB代碼一般要用URB (usbrequst block)與USB設(shè)備通信。URB用struct urb結(jié)構(gòu)體描述，它能以一種異步的方式往／從特定的USB端點(diǎn)發(fā)送／接收數(shù)據(jù)。USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序可能會(huì)為單個(gè)端點(diǎn)分配許多的URB，也可能對(duì)許多不同的端點(diǎn)重用單個(gè)URB，這取決于驅(qū)動(dòng)的需要。當(dāng)USB驅(qū)動(dòng)程序只發(fā)送或接收一些簡(jiǎn)單的USB數(shù)據(jù)時(shí)，可以使用兩個(gè)很簡(jiǎn)單的接口函數(shù)：usb_bulk_msg、usb_control_msg。

2 USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的結(jié)構(gòu)
圖1所示是Linux環(huán)境下USB驅(qū)動(dòng)的總體結(jié)構(gòu)。從圖l中可以看到：在主機(jī)側(cè)層次結(jié)構(gòu)中，實(shí)現(xiàn)USB驅(qū)動(dòng)有兩類(lèi)方式：USB主機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)和USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)；USB主機(jī)控制驅(qū)動(dòng)主要控制插入其中的USB設(shè)備，主機(jī)控制器可以分為三類(lèi)，分別對(duì)應(yīng)于三種USB主控制器；USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)則用于控制USB設(shè)備如何與主機(jī)通信；USB核心負(fù)責(zé)USB驅(qū)動(dòng)管理和協(xié)議處理的主要工作。

USB核心向上可為設(shè)備驅(qū)動(dòng)提供編程接口，向下可為USB主機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)提供編程接口；它可以通過(guò)全局變量維護(hù)整個(gè)系統(tǒng)的USB設(shè)備信息，從而完成設(shè)備的熱插拔控制和總線數(shù)據(jù)傳輸控制等驅(qū)動(dòng)。
另外，在從設(shè)備側(cè)，Linux內(nèi)核中的USB設(shè)備側(cè)驅(qū)動(dòng)程序可分為3個(gè)層次：USB設(shè)備控制器(UDC)驅(qū)動(dòng)程序、Gadget API和Gadget驅(qū)動(dòng)程序；UDC驅(qū)動(dòng)程序可直接訪問(wèn)硬件，控制USB設(shè)備和主機(jī)間的底層通信，并向上層提供和硬件相關(guān)的操作回調(diào)函數(shù)。不同的設(shè)備控制器硬件有不同的設(shè)備控制器驅(qū)動(dòng)程序；Gadget驅(qū)動(dòng)主要控制USB設(shè)備功能的實(shí)現(xiàn)，它使用Gadget API傳遞控制信息給UDC驅(qū)動(dòng)程序，以便實(shí)現(xiàn)具體功能。
Gadget API是設(shè)備控制器的控制功能抽象接口，Gadget驅(qū)動(dòng)程序可以試用Gadget API，它可以把下層的UDC驅(qū)動(dòng)程序和上層Gadget驅(qū)動(dòng)程序相隔離，以使得在linux系統(tǒng)中編寫(xiě)USB設(shè)備側(cè)驅(qū)動(dòng)程序時(shí)，能夠把功能的實(shí)現(xiàn)和底層通信相分離。
如果要在S3c24．10上實(shí)現(xiàn)大存儲(chǔ)類(lèi)從設(shè)備，則需要運(yùn)行file_storage．c和s3c2410_udc．c這兩個(gè)驅(qū)動(dòng)程序。file_stoarge．c具體控制USB設(shè)備功能的實(shí)現(xiàn)，它使用Gadget API來(lái)控制s3c2410．c以實(shí)現(xiàn)其功能。s3c2410．c驅(qū)動(dòng)程序可直接訪問(wèn)硬件，以控制USB設(shè)備和主機(jī)間的底層通信，同時(shí)向上層提供和硬件相關(guān)操作的回調(diào)函數(shù)。