Linux硬體驅動：USB裝置驅動開發篇

Linux硬體驅動：USB裝置驅動開發篇

USB骨架程式（usb-skeleton），是USB驅動程式的基礎，通過對它源碼的學習和了解，可以使我們迅速地了解USB驅動架構，迅速地開發我們自己的USB硬體的驅動。

　　前言

　　在上篇《Linux下的硬體驅動--USB裝置（上）（驅動配制部分）》中，我們知道了在Linux下如何去使用一些最常見的USB裝置。但對于做系統設計的程式員來說，這是遠遠不夠的，我們還需要具有驅動程式的閱讀、修改和開發能力。在此下篇中，就是要通過簡單的USB驅動的例子，随您一起進入USB驅動開發的世界。

　　USB驅動開發

　　在掌握了USB裝置的配置後，對于程式員，我們就可以嘗試進行一些簡單的USB驅動的修改和開發了。這一段落，我們會講解一個最基礎USB架構的基礎上，做兩個小的USB驅動的例子。

　　USB骨架

　　在Linux kernel源碼目錄中driver/usb/usb-skeleton.c為我們提供了一個最基礎的USB驅動程式。我們稱為USB骨架。通過它我們僅需要修改極少的部分，就可以完成一個USB裝置的驅動。我們的USB驅動開發也是從她開始的。

那些linux下不支援的USB裝置幾乎都是生産廠商特定的産品。如果生産廠商在他們的産品中使用自己定義的協定，他們就需要為此裝置建立特定的驅動程式。當然我們知道，有些生産廠商公開他們的USB協定，并幫助Linux驅動程式的開發，然而有些生産廠商卻根本不公開他們的USB協定。因為每一個不同的協定都會産生一個新的驅動程式，是以就有了這個通用的USB驅動骨架程式，它是以pci 骨架為模闆的。

　　如果你準備寫一個linux驅動程式，首先要熟悉USB協定規範。USB首頁上有它的幫助。一些比較典型的驅動可以在上面發現，同時還介紹了USB urbs的概念，而這個是usb驅動程式中最基本的。

　　Linux USB 驅動程式需要做的第一件事情就是在Linux USB 子系統裡注冊，并提供一些相關資訊，例如這個驅動程式支援那種裝置，當被支援的裝置從系統插入或拔出時，會有哪些動作。所有這些資訊都傳送到USB 子系統中，在usb骨架驅動程式中是這樣來表示的：

static struct usb_driver skel_driver = {

     name:        "skeleton",

     probe:       skel_probe,

     disconnect:  skel_disconnect,

     fops:        &skel_fops,

     minor:       USB_SKEL_MINOR_BASE,

     id_table:    skel_table,

};

　　

變量name是一個字元串，它對驅動程式進行描述。probe 和disconnect 是函數指針，當裝置與在id_table 中變量資訊比對時，此函數被調用。

　　fops和minor變量是可選的。大多usb驅動程式鈎住另外一個驅動系統，例如SCSI，網絡或者tty子系統。這些驅動程式在其他驅動系統中注冊，同時任何使用者空間的互動操作通過那些接口提供，比如我們把SCSI裝置驅動作為我們USB驅動所鈎住的另外一個驅動系統，那麼我們此USB裝置的read、write等操作，就相應按SCSI裝置的read、write函數進行通路。但是對于掃描器等驅動程式來說，并沒有一個比對的驅動系統可以使用，那我們就要自己處理與使用者空間的read、write等互動函數。Usb子系統提供一種方法去注冊一個次裝置号和file_operations函數指針，這樣就可以與使用者空間實作友善地互動。

　　USB骨架程式的關鍵幾點如下：

　　1.        USB驅動的注冊和登出

Usb驅動程式在注冊時會發送一個指令給usb_register，通常在驅動程式的初始化函數裡。

當要從系統解除安裝驅動程式時，需要登出usb子系統。即需要usb_unregister 函數處理：

static void __exit usb_skel_exit(void)

{

   usb_deregister(&skel_driver);

}

module_exit(usb_skel_exit);

　　當usb裝置插入時，為了使linux-hotplug（Linux中PCI、USB等裝置熱插拔支援）系統自動裝載驅動程式，你需要建立一個MODULE_DEVICE_TABLE。代碼如下（這個子產品僅支援某一特定裝置）：

static struct usb_device_id skel_table [] = {

    { USB_DEVICE(USB_SKEL_VENDOR_ID,

      USB_SKEL_PRODUCT_ID) },

    { }                     

};

MODULE_DEVICE_TABLE (usb, skel_table);

　　USB_DEVICE宏利用廠商ID和産品ID為我們提供了一個裝置的唯一辨別。當系統插入一個ID比對的USB裝置到USB總線時，驅動會在USB core中注冊。驅動程式中probe 函數也就會被調用。usb_device 結構指針、接口号和接口ID都會被傳遞到函數中。

static void * skel_probe(struct usb_device *dev,

unsigned int ifnum, const struct usb_device_id *id)

　　驅動程式需要确認插入的裝置是否可以被接受，如果不接受，或者在初始化的過程中發生任何錯誤，probe函數傳回一個NULL值。否則傳回一個含有裝置驅動程式狀态的指針。通過這個指針，就可以通路所有結構中的回調函數。

在骨架驅動程式裡，最後一點是我們要注冊devfs。我們建立一個緩沖用來儲存那些被發送給usb裝置的資料和那些從裝置上接受的資料，同時USB urb 被初始化，并且我們在devfs子系統中注冊裝置，允許devfs使用者通路我們的裝置。注冊過程如下：

sprintf(name, "skel%d", skel->;minor);

skel->;devfs = devfs_register

              (usb_devfs_handle, name,

               DEVFS_FL_DEFAULT, USB_MAJOR,

               USB_SKEL_MINOR_BASE + skel->;minor,

               S_IFCHR | S_IRUSR | S_IWUSR |

               S_IRGRP | S_IWGRP | S_IROTH,

               &skel_fops, NULL);

　　如果devfs_register函數失敗，不用擔心，devfs子系統會将此情況報告給使用者。

　　當然最後，如果裝置從usb總線拔掉，裝置指針會調用disconnect 函數。驅動程式就需要清除那些被配置設定了的所有私有資料、關閉urbs，并且從devfs上登出調自己。

devfs_unregister(skel->;devfs);

　　現在，skeleton驅動就已經和裝置綁定上了，任何使用者态程式要操作此裝置都可以通過file_operations結構所定義的函數進行了。首先，我們要open此裝置。在open函數中MODULE_INC_USE_COUNT 宏是一個關鍵，它的作用是起到一個計數的作用，有一個使用者态程式打開一個裝置，計數器就加一，例如，我們以子產品方式加入一個驅動，若計數器不為零，就說明仍然有使用者程式在使用此驅動，這時候，你就不能通過rmmod指令解除安裝驅動子產品了。

MOD_INC_USE_COUNT;

++skel->;open_count;

file->;private_data = skel;

　　當open完裝置後，read、write函數就可以收、發資料了。

　　2.        skel的write、和read函數

　　他們是完成驅動對讀寫等操作的響應。

　　在skel_write中，一個FILL_BULK_URB函數，就完成了urb 系統callbak和我們自己的skel_write_bulk_callback之間的聯系。注意skel_write_bulk_callback是中斷方式，是以要注意時間不能太久，本程式中它就隻是報告一些urb的狀态等。

read 函數與write 函數稍有不同在于：程式并沒有用urb 将資料從裝置傳送到驅動程式，而是我們用usb_bulk_msg 函數代替，這個函數能夠不需要建立urbs 和操作urb函數的情況下，來發送資料給裝置，或者從裝置來接收資料。我們調用usb_bulk_msg函數并傳提一個存儲空間，用來緩沖和放置驅動收到的資料，若沒有收到資料，就失敗并傳回一個錯誤資訊。

　　3.        usb_bulk_msg函數

　　當對usb裝置進行一次讀或者寫時，usb_bulk_msg 函數是非常有用的; 然而, 當你需要連續地對裝置進行讀/寫時，建議你建立一個自己的urbs，同時将urbs 送出給usb子系統。

　　4.        skel_disconnect函數

　　當我們釋放裝置檔案句柄時，這個函數會被調用。MOD_DEC_USE_COUNT宏會被用到（和MOD_INC_USE_COUNT剛好對應，它減少一個計數器），首先确認目前是否有其它的程式正在通路這個裝置，如果是最後一個使用者在使用，我們可以關閉任何正在發生的寫，操作如下：

--skel->;open_count;

if (skel->;open_count <= 0) {

   usb_unlink_urb (skel->;write_urb);

   skel->;open_count = 0;

}

MOD_DEC_USE_COUNT;

最困難的是，usb 裝置可以在任何時間點從系統中取走，即使程式目前正在通路它。usb驅動程式必須要能夠很好地處了解決此問題，它需要能夠切斷任何目前的讀寫，同時通知使用者空間程式：usb裝置已經被取走。

如果程式有一個打開的裝置句柄，在目前結構裡，我們隻要把它指派為空，就像它已經消失了。對于每一次裝置讀寫等其它函數操作，我們都要檢查usb_device結構是否存在。如果不存在，就表明裝置已經消失，并傳回一個-ENODEV錯誤給使用者程式。當最終我們調用release 函數時，在沒有檔案打開這個裝置時，無論usb_device結構是否存在、它都會清空skel_disconnect函數所作工作。

　　Usb 骨架驅動程式，提供足夠的例子來幫助初始人員在最短的時間裡開發一個驅動程式。更多資訊你可以到linux usb開發新聞討論區去尋找。U盤、USB讀卡器、MP3、數位相機驅動對于一款windows下用的很爽的U盤、USB讀卡器、MP3或數位相機，可能Linux下卻不能支援。怎麼辦？其實不用傷心，也許經過一點點的工作，你就可以很友善地使用它了。通常是此U盤、USB讀卡器、MP3或數位相機在WindowsXP中不需要廠商專門的驅動就可以識别為移動儲存設備，這樣的裝置才能保證成功，其他的就看你的運氣了。

　　USB儲存設備，他們的read、write等操作都是通過上章節中提到的鈎子，把自己的操作鈎到SCSI裝置上去的。我們就不需要對其進行具體的資料讀寫處理了。

第一步：我們通過cat /proc/bus/usb/devices得到目前系統探測到的USB總線上的裝置資訊。它包括Vendor、ProdID、Product等。下面是我買的一款雜牌CF卡讀卡器插入後的資訊片斷：

T: Bus=01 Lev=01 Prnt=01 Port=01 Cnt=02 Dev#= 5 Spd=12 MxCh= 0

D: Ver= 1.10 Cls=00(>;ifc ) Sub=00 Prot=00 MxPS=8 #Cfgs= 1

P: Vendor=07c4 ProdID=a400 Rev= 1.13

S: Manufacturer=USB

S: Product=Mass Storage

C:* #Ifs= 1 Cfg#= 1 Atr=80 MxPwr=70mA

I: If#= 0 Alt= 0 #EPs= 2 Cls=08(vend.) Sub=06 Prot=50 Driver=usb-storage

E: Ad=81(I) Atr=02(Bulk) MxPS= 64 Ivl= 0ms

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

　　其中，我們最關心的是Vendor=07c4 ProdID=a400和Manufacturer=USB（果然是雜牌，廠商名都看不到）Product= Mass Storage。

　　對于這些移動儲存設備，我們知道Linux下都是通過usb-storage.o驅動模拟成scsi裝置去支援的，之是以不支援，通常是usb-storage驅動未包括此廠商識别和産品識别資訊（在類似skel_probe的USB最初探測時被屏蔽了）。對于USB儲存設備的硬體通路部分，通常是一緻的。是以我們要支援它，僅需要修改usb-storage中關于廠商識别和産品識别清單部分。

　　第二部，打開drivers/usb/storage/unusual_devs.h檔案，我們可以看到所有已知的産品登記表，都是以UNUSUAL_DEV（idVendor, idProduct, bcdDeviceMin, bcdDeviceMax, vendor_name, product_name, use_protocol, use_transport, init_function, Flags）方式登記的。其中相應的涵義，你就可以根據命名來判斷了。是以隻要我們如下填入我們自己的注冊，就可以讓usb-storage驅動去認識和發現它。

UNUSUAL_DEV(07c4, a400, 0x0000, 0xffff,

" USB ", " Mass Storage ",

US_SC_SCSI, US_PR_BULK, NULL,

US_FL_FIX_INQUIRY | US_FL_START_STOP |US_FL_MODE_XLATE )

　　注意：添加以上幾句的位置，一定要正确。比較發現，usb-storage驅動對所有注冊都是按idVendor, idProduct數值從小到大排列的。我們也要放在相應位置。

　　

最後，填入以上資訊，我們就可以重新編譯生成核心或usb-storage.o子產品。這時候插入我們的裝置就可以跟其他U盤一樣作為SCSI裝置去通路了。

鍵盤飛梭支援目前很多鍵盤都有飛梭和手寫闆，下面我們就嘗試為一款鍵盤飛梭加入一個驅動。在通常情況，當我們插入USB接口鍵盤時，在/proc/bus/usb/devices會看到多個USB裝置。比如：你的USB鍵盤上的飛梭會是一個，你的手寫闆會是一個，若是你的USB鍵盤有USB擴充連接配接埠，也會看到。

　　下面是具體看到的資訊

T:  Bus=02 Lev=00 Prnt=00 Port=00 Cnt=00 Dev#=  1 Spd=12  MxCh= 2

B:  Alloc= 11/900 us ( 1%), #Int=  1, #Iso=  0

D:  Ver= 1.00 Cls=09(hub  ) Sub=00 Prot=00 MxPS= 8 #Cfgs=  1

P:  Vendor=0000 ProdID=0000 Rev= 0.00

S:  Product=USB UHCI Root Hub

S:  SerialNumber=d800

C:* #Ifs= 1 Cfg#= 1 Atr=40 MxPwr=  0mA

I:  If#= 0 Alt= 0 #EPs= 1 Cls=09(hub  ) Sub=00 Prot=00 Driver=hub

E:  Ad=81(I) Atr=03(Int.) MxPS=   8 Ivl=255ms

T:  Bus=02 Lev=01 Prnt=01 Port=01 Cnt=01 Dev#=  3 Spd=12  MxCh= 3

D:  Ver= 1.10 Cls=09(hub  ) Sub=00 Prot=00 MxPS= 8 #Cfgs=  1

P:  Vendor=07e4 ProdID=9473 Rev= 0.02

S:  Manufacturer=ALCOR

S:  Product=Movado USB Keyboard

C:* #Ifs= 1 Cfg#= 1 Atr=e0 MxPwr=100mA

I:  If#= 0 Alt= 0 #EPs= 1 Cls=09(hub  ) Sub=00 Prot=00 Driver=hub

E:  Ad=81(I) Atr=03(Int.) MxPS=   1 Ivl=255ms

　　找到相應的資訊後就可開始工作了。實際上，飛梭的定義和鍵盤鍵碼通常是一樣的，是以我們參照drivers/usb/usbkbd..c代碼進行一些改動就可以了。因為沒能拿到相應的硬體USB協定，我無從知道飛梭在按下時通訊協定衆到底發什麼，我隻能把它的資訊打出來進行分析。幸好，它比較簡單，在下面代碼的usb_kbd_irq函數中if(kbd->;new[0] == (char)0x01)和if(((kbd->;new[1]>;>;4)&0x0f)!=0x7)就是判斷飛梭左旋。usb_kbd_irq函數就是鍵盤中斷響應函數。他的挂接，就是在usb_kbd_probe函數中

FILL_INT_URB(&kbd->;irq, dev, pipe, kbd->;new, maxp >; 8 ? 8 : maxp,

                usb_kbd_irq, kbd, endpoint->;bInterval);

　　一句中實作。

　　從usb骨架中我們知道，usb_kbd_probe函數就是在USB裝置被系統發現是運作的。其他部分就都不是關鍵了。你可以根據具體的探測值（Vendor=07e4 ProdID=9473等）進行一些修改就可以了。值得一提的是，在鍵盤中斷中，我們的做法是收到USB飛梭消息後，把它模拟成左方向鍵和右方向鍵，在這裡，就看你想怎麼去響應它了。當然你也可以響應模拟成F14、F15等擴充鍵碼。

在了解了此基本的驅動後，對于一個你已經拿到通訊協定的鍵盤所帶手寫闆，你就應該能進行相應驅動的開發了吧。

程式見附錄1：鍵盤飛梭驅動。

　　使用此驅動要注意的問題：在加載此驅動時你必須先把hid裝置解除安裝，加載完usbhkey.o子產品後再加載hid.o。因為若hid存在，它的probe會屏蔽系統去利用我們的驅動發現我們的裝置。其實，飛梭本來就是一個hid裝置，正确的方法，或許你應該修改hid的probe函數，然後把我們的驅動融入其中。

　　參考資料

　　1.        《LINUX裝置驅動程式》

　　ALESSANDRO RUBINI著

　　LISOLEG 譯

　　2.        《Linux系統分析與進階程式設計技術》

　　周巍松 編著

　　3.        Linux Kernel-2.4.20源碼和文檔說明

　

轉自Tony嵌入式,原文位址：http://www.cevx.com/bbs/dispbbs.asp?BoardID=5&replyID=8988&ID=8025&skin=1