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Linux USB驱动框架分析
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更新于2023-05-03
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Linux USB驱动框架分析(一) 初次接触与OS相关的设备驱动编写,感觉还挺有意思的,为了不至于忘掉看过的东西,笔记跟总结当然不可缺,更何况我决定为嵌入式卖命了。好,言归正传,我说一说这段时间的收获,跟大家分享一下Linux的驱动开发。但这次只先针对Linux的USB子系统作分析,因为周五研讨老板催货。当然,还会顺带提一下其他的驱动程序写法。 事实上,Linux的设备驱动都遵循一个惯例——表征驱动程序(用driver更贴切一些,应该称为驱动器比较好吧)的结构体,结构体里面应该包含了驱动程序所需要的所有资源。用术语来说,是这个驱动器对象所拥有的属性及成员。由于Linux的内核用c
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Linux USB驱动框架分析驱动框架分析
Linux USB驱动框架分析(一)
初次接触与OS相关的设备驱动编写,感觉还挺有意思的,为了不至于忘掉看过的东西,笔记跟总结当然不可缺,更何况
我决定为嵌入式卖命了。好,言归正传,我说一说这段时间的收获,跟大家分享一下Linux的驱动开发。但这次只先针对Linux
的USB子系统作分析,因为周五研讨老板催货。当然,还会顺带提一下其他的驱动程序写法。
事实上,Linux的设备驱动都遵循一个惯例——表征驱动程序(用driver更贴切一些,应该称为驱动器比较好吧)的结构
体,结构体里面应该包含了驱动程序所需要的所有资源。用术语来说,是这个驱动器对象所拥有的属性及成员。由于Linux的
内核用c来编写,所以我们也按照这种结构化的思想来分析代码,但我还是希望从OO的角度来阐述这些细节。这个结构体的
名字有驱动开发人员决定,比如说,鼠标可能有一个叫做mouse_dev的struct,键盘可能由一个keyboard_dev的struct(dev
for device,我们做的只是设备驱动)。而这次我们来分析一下Linux内核源码中的一个usb-skeleton(是usb驱动的骨架
咯),自然,他定义的设备结构体叫做usb-skel:
struct usb_skel {
struct usb_device * udev; /* the usb device for this device */
struct usb_interface * interface; /* the interface for this device */
struct semaphore limit_sem; /* limiting the number of writes in progress */
unsigned char * bulk_in_buffer; /* the buffer to receive data */
size_t bulk_in_size; /* the size of the receive buffer */
__u8 bulk_in_endpointAddr; /* the address of the bulk in endpoint */
__u8 bulk_out_endpointAddr; /* the address of the bulk out endpoint */
struct kref kref;
};
这里我们得补充说明一下一些USB的协议规范细节。USB能够自动监测设备,并调用相应得驱动程序处理设备,所以其
规范实际上是相当复杂的,幸好,我们不必理会大部分细节问题,因为Linux已经提供相应的解决方案。我现在的理解来
说,USB的驱动分为两块,一块是USB的bus驱动,这个东西,Linux内核已经做好了,我们可以不管,但我们至少要了解他
的功能。形象得说,USB的bus驱动相当于铺出一条路来,让所有的信息都可以通过这条USB通道到达该到的地方,这部分工
作由usb_core来完成。当USB设备接到USB控制器接口时,usb_core检测该设备的一些信息,例如生产厂商ID和产品的ID,
或者是设备所属的class、subclass跟protocol,以便确定应该调用哪一个驱动处理该设备。里面复杂细节我们不用管,我们要
做的是另一块工作——usb的设备驱动。也是说,我们等着usb_core告诉我们要工作了,我们才工作。
从开发人员的角度看,每一个usb设备有若干个配置(configuration)组成,每个配置又可以有多个接口(interface),每个接
口又有多个设置(setting图中没有给出),而接口本身可能没有端点或者多个端点(end point)。USB的数据交换通过端点来进
行,主机与各个端点之间建立起单向的管道来传输数据。而这些接口可以分为四类:
控制(control)
用于配置设备、获取设备信息、发送命令或者获取设备的状态报告
中断(interrupt)
当USB宿主要求设备传输数据时,中断端点会以一个固定的速率传送少量数据,还用于发送数据到USB设备以控制设
备,一般不用于传送大量数据。
批量(bulk)
用于大量数据的可靠传输,如果总线上的空间不足以发送整个批量包,它会被分割成多个包传输。
等时(isochronous)
大量数据的不可靠传输,不保证数据的到达,但保证恒定的数据流,多用于数据采集。
Linux中用struct usb_host_endpoint来描述USB端点,每个usb_host_endpoint中包含一个struct usb_endpoint_descriptor
结构体,当中包含该端点的信息以及设备自定义的各种信息,这些信息包括:
bEndpointAddress(b for byte)
8位端点地址,其地址还隐藏了端点方向的信息(之前说过,端点是单向的),可以用掩码USB_DIR_OUT和
USB_DIR_IN来确定。
bmAttributes
端点的类型,结合USB_ENDPOINT_XFERTYPE_MASK可以确定端点是USB_ENDPOINT_XFER_ISOC(等时)、
USB_ENDPOINT_XFER_BULK(批量)还是USB_ENDPOINT_XFER_INT(中断)。
wMaxPacketSize
端点一次处理的大字节数。发送的BULK包可以大于这个数值,但会被分割传送。
bInterval
如果端点是中断类型,该值是端点的间隔设置,以毫秒为单位。
在逻辑上,一个USB设备的功能划分是通过接口来完成的。比如说一个USB扬声器,可能会包括有两个接口:一个用于
键盘控制,另外一个用于音频流传输。而事实上,这种设备需要用到不同的两个驱动程序来操作,一个控制键盘,一个控制音
频流。但也有例外,比如蓝牙设备,要求有两个接口,第一用于ACL跟EVENT的传输,另外一个用于SCO链路,但两者通过
一个驱动控制。在Linux上,接口使用struct usb_interface来描述,以下是该结构体中比较重要的字段:
struct usb_host_interface *altsetting(注意不是usb_interface)
其实据我理解,他应该是每个接口的设置,虽然名字上有点奇怪。该字段是一个设置的数组(一个接口可以有多个设
置),每个usb_host_interface都包含一套由struct usb_host_endpoint定义的端点配置。但这些配置次序是不定的。
unsigned num_altstting
可选设置的数量,即altsetting所指数组的元素个数。
struct usb_host_interface *cur_altsetting
当前活动的设置,指向altsetting数组中的一个。
int minor
当捆绑到该接口的USB驱动程序使用USB主设备号时,USB core分配的次设备号。仅在成功调用usb_register_dev之后
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