0 引言
USB是英文Universal Serial Bus的缩写,意为通用串行总线。USB是一种快速、双向、同步、低成本、动态可连接的串行接口。USB现在已经广泛应用到各种设备上,尤其是手持设备,几乎都采用了USB接口。现在,USB即可用来与其他设备连接后高速地传递数据,又可用来充电,使手持设备可以发挥U盘、MODEM、无线网卡等作用。
事实上,USB只是主机和外围设备之间的连接。如何来促使这种连接发挥作用,就需要驱动程序。驱动程序主要解决硬件“需要提供什么功能”以及“如何使用这些功能”。在linux系统中,USB设备可以作为主机使用,也可作为从设备使用。对应的USB驱动程序有两种主要的类型:宿主系统上的驱动程序和设备上的驱动程序。从宿主的观点来看(例如普通的左桌面计算机),宿主系统的USB驱动程序控制插入其中的USB设备,而USB设备的驱动程序则控制该设备如何作为一个USB设备和主机通信。
1 USB设备基础
USB设备的构成包括配置接口和端点,以及USB驱动程序如何绑定到USB接口上。端点是USB通信基本的形式,USB端点只能是往一个方向传送数据,即从主机到设备(称为输出端点)或者从设备到主机(称为输入端点),故可以看作是单向管道。USB有四种不同的类型,分别对应不同的传输类型:控制、中断、批量、等时。其次接口,USB端点被绑定即为接口。USB的一个接口只处理一种USB逻辑连接;一个USB设备可以有多个接口,不同的接口可以代表不同的功能,因此,功能不同的USB接口需要不同的驱动程序。另外就是配置,USB接口本身被绑定为配置。一个USB设备可以有多个配置,而且可以在配置之间切换以改变设备的状态;一个时刻只能激活一个配置,怛一个配置通常具有一个或者更多的接口。
USB设备可由许多不同的逻辑单元组成,实际上,也就是这三种逻辑单元组合而成的。Linux内核中的USB代码一般要用URB (usbrequst block)与USB设备通信。URB用struct urb结构体描述,它能以一种异步的方式往/从特定的USB端点发送/接收数据。USB设备驱动程序可能会为单个端点分配许多的URB,也可能对许多不同的端点重用单个URB,这取决于驱动的需要。当USB驱动程序只发送或接收一些简单的USB数据时,可以使用两个很简单的接口函数:usb_bulk_msg、usb_control_msg。
2 USB设备驱动程序的结构
图1所示是Linux环境下USB驱动的总体结构。从图l中可以看到:在主机侧层次结构中,实现USB驱动有两类方式:USB主机控制器驱动和USB设备驱动;USB主机控制驱动主要控制插入其中的USB设备,主机控制器可以分为三类,分别对应于三种USB主控制器;USB设备驱动则用于控制USB设备如何与主机通信;USB负责USB驱动管理和协议处理的主要工作。
USB向上可为设备驱动提供编程接口,向下可为USB主机控制器驱动提供编程接口;它可以通过全局变量维护整个系统的USB设备信息,从而完成设备的热插拔控制和总线数据传输控制等驱动。
另外,在从设备侧,Linux内核中的USB设备侧驱动程序可分为3个层次:USB设备控制器(UDC)驱动程序、Gadget API和Gadget驱动程序;UDC驱动程序可直接访问硬件,控制USB设备和主机间的底层通信,并向上层提供和硬件相关的操作回调函数。不同的设备控制器硬件有不同的设备控制器驱动程序;Gadget驱动主要控制USB设备功能的实现,它使用Gadget API传递控制信息给UDC驱动程序,以便实现具体功能。
Gadget API是设备控制器的控制功能抽象接口,Gadget驱动程序可以试用Gadget API,它可以把下层的UDC驱动程序和上层Gadget驱动程序相隔离,以使得在linux系统中编写USB设备侧驱动程序时,能够把功能的实现和底层通信相分离。
如果要在S3c24.10上实现大存储类从设备,则需要运行file_storage.c和s3c2410_udc.c这两个驱动程序。file_stoarge.c具体控制USB设备功能的实现,它使用Gadget API来控制s3c2410.c以实现其功能。s3c2410.c驱动程序可直接访问硬件,以控制USB设备和主机间的底层通信,同时向上层提供和硬件相关操作的回调函数。
3 USB从设备驱动
驱动程序完成的功能包括初始化设备、为各类设备提供服务、负责内核与设备间的数据交换、以及检测和处理设备工作过程中出现的错误等。
基于完成这些功能,每个驱动程序都需要注册和注销,这样,内核才能知道有这个驱动的存在或者驱动的卸载。下面是两个基本的模块:
module_init(usb_skel_init);
module_exit(usb_skel_exit);
对于USB从设备而言,结构USB_gadget就可以代表。Gadget通过“Gadget驱动程序”来实现设备功能,处理所有的USB配置和接口。通过操作函数集,Gadget驱动程序与硬件特定代码间接通信。它将Gadget驱动程序与那个硬件细节隔开,并通过I/O队列包装硬件端点。 “usb_gadget”“usb_ep”接口则可提供对硬件的隔离。
其结构usb_gadget的代码如下:
结构usb_gadget_ops是USB设备控制期的设备控制函数集,其操作包括get_frames、wakeup、pullop、ioctl等。结构struct usb_ep是USB端点从设备侧的代表,总线控制器驱动程序中列出了在gadget->ep_list里所有的通用端点,但控制端点不在列表中,它仅在回应驱动程序的setup 0 回调函数时才被访问,其代码如下:
4 结束语
本文主要通过在S3C2401上实现USB从设备的驱动程序,介绍了USB从设备驱动的研究方法。Linux作为一个开源操作系统,设备驱动程序的开发有着其它操作系统不可比拟的优势,大量的开放源代码无疑可以加速USB从设备驱动,并使其应用更加广泛。因此,USB作为一种新型的高速外设总线,它必将更加促进linux系统源码的开发和完善,同时亦会促进自身的更广泛的应用。
[1]. UDC datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/UDC_1172741.html.
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