嵌入式Linux下的USB设备驱动技术

Linux以其稳定、高效、易定制、硬件支持广泛、源代码开放等特点，已在嵌入式领域迅速崛起，被国际上许多大型的跨国企业用作嵌入式产品的系统平台。

USB是Universal Serial Bus (通用串行总线)的缩写，是1995年由Microsoft、Compaq、IBM等公司联合制定的一种新的PC串行通信协议。它是一种快速、灵活的总线接口。与其它通信接口相比较，USB接口的最大特点是易于使用，这也是USB的主要设计目标。USB的成功得益于在USB标准中除定义了通信的物理层和电器层标准外。还定义了一套相对完整的软件协议堆栈。这使得多数USB设备都很容易在各种平台上工作。作为一种高速总线接口，USB适用于多种设备(如数码相机、MP3播放器、高速数据采集设备等)。另外，USB接口还支持热插拔，而且所有的配置过程都由系统自动完成，无须用户干预。

1 Linux下的USB设备驱动

在Linux内核的不断升级过程中，驱动程序的结构相对稳定。由于USB设备也是外围设备的一种，因此，它的驱动程序结构与普通设备的驱动程序相同。Linux系统的设备分为字符设备(CharDevice)和块设备(BlockDevice)。字符设备支持面向块字符的I／O操作，它不通过系统的快速缓存，而只支持顺序存取。块设备则支持面向块的I／O操作，所有块设备的I／O操作都通过在内核地址空间的I／O缓冲区进行，可以支持几乎任意长度和任意位置上的I／O请求。块设备与字符设备还有一点不同，就是块设备必须能够随机存取(RandomAccess)，字符设备则没有这个要求。典型的字符设备包括鼠标、键盘、串行口等，而块设备主要包括硬盘软盘设备、CD-Rom等。由于USB设备主要都是通过快速串行通讯来读写数据，因此一般都可作为字符设备来进行处理。

2 Linux下的USB core

2.1 Linux中USB core与USB的结构关系

Linux操作系统中有一个叫做“USB core”的子系统，可提供支持USB设备驱动程序的API和USB主机控制器的驱动程序。同时提供有许多数据结构、宏定义和功能函数来对硬件或设备进行支持。在Linux下编写USB设备的驱动程序时，从严格意义上讲，就是使用这些USB core的子系统所定义的数据结构、宏和函数来编写数据的处理功能。在Linux下，core、host controller和driver三者之间的关系如图1所示。



2.2 USB core的初始化

USB core从USB子系统的初始化开始。USB子系统的初始化则在文件drivers／usb／core／usb．c里。其代码如下：

subsys_initcall(usb_init)；
module_exit(usb_exit)；

代码中的subsys_initcall是一个宏，相当于module_init，只不过因为这部分代码是核心，开发者通常把它看作一个子系统，而不仅仅是一个模块。因为USB core模块代表的不是某一个设备，而是所有USB设备赖以生存的模块。因此，在Linux中，像这样把一个类别的设备驱动归结为一个子系统(比如PCI子系统、scsi子系统等)。基本上，drivers／目录下面第一层的每个目录都可算作一个子系统，因为它们代表了一类设备。一般地，usb_init是真正的初始化函数，而usb_exit()则是整个USB子系统结束时的清理函数：



函数usb_init主要完成初始化和注册设备。

2.3 USB里的设备模型

Linux里一个很重要的概念是设备模型。对于驱动来说，设备的概念就是总线和与其相连的各种设备。在内核里，总线、设备、驱动也就是bus、device、driver是设备模型很重要的三个概念，它们都有自己专属的结构。在include／linux／devide．h里的定义为：

struct bus_type {……}；
struct device {……)；
struct device_driver {……}；

每次出现一个设备都要向总线注册，每次出现一个驱动，也要向总线注册。系统初始化时，应扫描连接许多设备，并为每一个设备建立一个struct device的变量。每一次都应有一个驱动程序，并要准备一个struct device_driver结构的变量。还要把这些变量加入相应的链表(如把device插入devices链表，driver插入drivers链表)。这样，通过总线就能找到每一个设备和每一个驱动。然而，假如计算机里只有设备却没有对应的驱动，那么设备将无法工作。反过来，倘若只有驱动却没有设备，驱动也起不了任何作用。对于USB设备，它可以在计算机启动以后再插入或者拔出计算机。由于device可以在任何时刻出现，而driver也可以在任何时刻被加载，所以，每当一个struct device诞生时，它就会去BUS的drivers链表中寻找自己的另一半。如果找到了匹配的设备，就调用device_bind_driver，并绑定好。

Linux设备模型中的总线落实在USB子系统里就是usb_bus_type，它在usb_init函数中可用retval=bus_register(usb_bus_type)语句注册，而在driver.c文件里的定义如下：