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linux下usb转串口驱动分析

http://blog.csdn.net/alading664/article/details/7638714

最近要做一个关于LTE的项目,模块厂家提供的驱动里面有usb转串口驱动,usb网卡驱动,项目还没立项所以比较空,闲的蛋疼把usb转串口驱动研究了一遍,本文尽量用画图把事情说明白,献给各位纠结的童鞋。

首先说一下linux的风格,个人理解

1. linux大小结构体其实是面向对象的方法,(如果把struct 比作类,kmalloc就是类的实例化,结构体里面的函数指针就是方法,还有重构,多态)

2. 在linux里面,设备是对象,驱动也是对象,并且这两个是分开的

现在我们来看驱动的总体架构

linux下usb转串口驱动分析

并不用太在意这个图,对用户来说usb_serial设备就是普通的串口设备

我们可以看驱动里面几个主要的源代码文件

usb-serial.c  模块的主要实现

bus.c  usb_serial总线驱动,驱动和设备都要注册到这条总线上

generic.c 通用的用户驱动,用户如果写自己的驱动只需拿自己的实现代替generic.c的函数,一般这个驱动已经能适应大部分设备了

现在我们来看usb_serial模块的初始化过程

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  1. static int __init usb_serial_init(void)  
  2. {  
  3.     int i;  
  4.     int result;  
  5.     usb_serial_tty_driver = alloc_tty_driver(SERIAL_TTY_MINORS);  
  6.     if (!usb_serial_tty_driver)  
  7.         return -ENOMEM;  
  8.     for (i = 0; i < SERIAL_TTY_MINORS; ++i)  
  9.         serial_table[i] = NULL;  
  10.     result = bus_register(&usb_serial_bus_type);  
  11.     if (result) {  
  12.         printk(KERN_ERR "usb-serial: %s - registering bus driver "  
  13.                "failed\n", __func__);  
  14.         goto exit_bus;  
  15.     }  
  16.     usb_serial_tty_driver->owner = THIS_MODULE;  
  17.     usb_serial_tty_driver->driver_name = "usbserial";  
  18.     usb_serial_tty_driver->name =    "ttyUSB";  
  19.     usb_serial_tty_driver->major = SERIAL_TTY_MAJOR;  
  20.     usb_serial_tty_driver->minor_start = 0;  
  21.     usb_serial_tty_driver->type = TTY_DRIVER_TYPE_SERIAL;  
  22.     usb_serial_tty_driver->subtype = SERIAL_TYPE_NORMAL;  
  23.     usb_serial_tty_driver->flags = TTY_DRIVER_REAL_RAW |  
  24.                         TTY_DRIVER_DYNAMIC_DEV;  
  25.     usb_serial_tty_driver->init_termios = tty_std_termios;  
  26.     usb_serial_tty_driver->init_termios.c_cflag = B9600 | CS8 | CREAD  
  27.                             | HUPCL | CLOCAL;  
  28.     usb_serial_tty_driver->init_termios.c_ispeed = 9600;  
  29.     usb_serial_tty_driver->init_termios.c_ospeed = 9600;  
  30.     tty_set_operations(usb_serial_tty_driver, &serial_ops);  
  31.     result = tty_register_driver(usb_serial_tty_driver);  
  32.     if (result) {  
  33.         printk(KERN_ERR "usb-serial: %s - tty_register_driver failed\n",  
  34.                __func__);  
  35.         goto exit_reg_driver;  
  36.     }  
  37.     result = usb_register(&usb_serial_driver);  
  38.     if (result < 0) {  
  39.         printk(KERN_ERR "usb-serial: %s - usb_register failed\n",  
  40.                __func__);  
  41.         goto exit_tty;  
  42.     }  
  43.     result = usb_serial_generic_register(debug);  
  44.     if (result < 0) {  
  45.         printk(KERN_ERR "usb-serial: %s - registering generic "  
  46.                "driver failed\n", __func__);  
  47.         goto exit_generic;  
  48.     }  
  49.     printk(KERN_INFO KBUILD_MODNAME ": " DRIVER_DESC "\n");  
  50.     return result;  
  51. exit_generic:  
  52.     usb_deregister(&usb_serial_driver);  
  53. exit_tty:  
  54.     tty_unregister_driver(usb_serial_tty_driver);  
  55. exit_reg_driver:  
  56.     bus_unregister(&usb_serial_bus_type);  
  57. exit_bus:  
  58.     printk(KERN_ERR "usb-serial: %s - returning with error %d\n",  
  59.            __func__, result);  
  60.     put_tty_driver(usb_serial_tty_driver);  
  61.     return result;  
  62. }  
static int __init usb_serial_init(void)
{
	int i;
	int result;

	usb_serial_tty_driver = alloc_tty_driver(SERIAL_TTY_MINORS);
	if (!usb_serial_tty_driver)
		return -ENOMEM;

	/* Initialize our global data */
	for (i = 0; i < SERIAL_TTY_MINORS; ++i)
		serial_table[i] = NULL;

	result = bus_register(&usb_serial_bus_type);
	if (result) {
		printk(KERN_ERR "usb-serial: %s - registering bus driver "
		       "failed\n", __func__);
		goto exit_bus;
	}

	usb_serial_tty_driver->owner = THIS_MODULE;
	usb_serial_tty_driver->driver_name = "usbserial";
	usb_serial_tty_driver->name = 	"ttyUSB";
	usb_serial_tty_driver->major = SERIAL_TTY_MAJOR;
	usb_serial_tty_driver->minor_start = 0;
	usb_serial_tty_driver->type = TTY_DRIVER_TYPE_SERIAL;
	usb_serial_tty_driver->subtype = SERIAL_TYPE_NORMAL;
	usb_serial_tty_driver->flags = TTY_DRIVER_REAL_RAW |
						TTY_DRIVER_DYNAMIC_DEV;
	usb_serial_tty_driver->init_termios = tty_std_termios;
	usb_serial_tty_driver->init_termios.c_cflag = B9600 | CS8 | CREAD
							| HUPCL | CLOCAL;
	usb_serial_tty_driver->init_termios.c_ispeed = 9600;
	usb_serial_tty_driver->init_termios.c_ospeed = 9600;
	tty_set_operations(usb_serial_tty_driver, &serial_ops);
	result = tty_register_driver(usb_serial_tty_driver);
	if (result) {
		printk(KERN_ERR "usb-serial: %s - tty_register_driver failed\n",
		       __func__);
		goto exit_reg_driver;
	}

	/* register the USB driver */
	result = usb_register(&usb_serial_driver);
	if (result < 0) {
		printk(KERN_ERR "usb-serial: %s - usb_register failed\n",
		       __func__);
		goto exit_tty;
	}

	/* register the generic driver, if we should */
	result = usb_serial_generic_register(debug);
	if (result < 0) {
		printk(KERN_ERR "usb-serial: %s - registering generic "
		       "driver failed\n", __func__);
		goto exit_generic;
	}

	printk(KERN_INFO KBUILD_MODNAME ": " DRIVER_DESC "\n");

	return result;

exit_generic:
	usb_deregister(&usb_serial_driver);

exit_tty:
	tty_unregister_driver(usb_serial_tty_driver);

exit_reg_driver:
	bus_unregister(&usb_serial_bus_type);

exit_bus:
	printk(KERN_ERR "usb-serial: %s - returning with error %d\n",
	       __func__, result);
	put_tty_driver(usb_serial_tty_driver);
	return result;
}
           

很简单

第一步 将usb_seria的TTY驱动注册进TTY驱动列表里面,以后调用open,write,read首先会调用tty驱动里面的函数,然后函数指针会指到用户自己定义的驱动里面,这应该是多态的一种应用吧,个人理解求指正

第二步 将usb_seria驱动注册进usb_core里面的驱动列表

只有usb_serial模块驱动,设备还不能正常工作,linux很好的把它分成了

分层一: usb_serial驱动,设备的大部分实现都在此

分层二: 用户驱动,不需要知道太多的细节,实现几个回调函数就能实现整个驱动功能。

generic.c 就是个通用的用户驱动模型,并且大部分设备都能兼容。

下面generic.c的模块初始化函数

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  1. int usb_serial_generic_register(int _debug)  
  2. {  
  3.     int retval = 0;  
  4.     debug = _debug;  
  5. #ifdef CONFIG_USB_SERIAL_GENERIC   
  6.     generic_device_ids[0].idVendor = vendor;  
  7.     generic_device_ids[0].idProduct = product;  
  8.     generic_device_ids[0].match_flags =  
  9.         USB_DEVICE_ID_MATCH_VENDOR | USB_DEVICE_ID_MATCH_PRODUCT;  
  10.     retval = usb_serial_register(&usb_serial_generic_device);  
  11.     if (retval)  
  12.         goto exit;  
  13.     retval = usb_register(&generic_driver);  
  14.     if (retval)  
  15.         usb_serial_deregister(&usb_serial_generic_device);  
  16. exit:  
  17. #endif   
  18.     return retval;  
  19. }  
int usb_serial_generic_register(int _debug)
{
	int retval = 0;

	debug = _debug;
#ifdef CONFIG_USB_SERIAL_GENERIC
	generic_device_ids[0].idVendor = vendor;
	generic_device_ids[0].idProduct = product;
	generic_device_ids[0].match_flags =
		USB_DEVICE_ID_MATCH_VENDOR | USB_DEVICE_ID_MATCH_PRODUCT;

	/* register our generic driver with ourselves */
	retval = usb_serial_register(&usb_serial_generic_device);
	if (retval)
		goto exit;
	retval = usb_register(&generic_driver);
	if (retval)
		usb_serial_deregister(&usb_serial_generic_device);
exit:
#endif
	return retval;
}
           

第一步 首先确定自己的特征码,这里通过vendor 和 product表明自己是哪种设备的驱动

第二步 将用户驱动注册进usb_serial_bus总线,linux很喜欢这么搞……,通过总线来管理一类设备

第三步 将usb驱动注册进usb_core的驱动列表

有人会问,为什么usb会自动发现对应的驱动,这其实是个匹配的过程,linux里面叫probe

前面第一步是确定了驱动的匹配值,第二步和第三步都把驱动的匹配值注册进去

linux下usb转串口驱动分析

事实上前面第三步代码retval = usb_register(&generic_driver);就是为了把generic驱动注册进usb的驱动列表,当有设备插入时,会轮询到它,然后会调用此驱动的probe,就是下面的函数

[cpp] view plain copy print ?

  1. static int generic_probe(struct usb_interface *interface,  
  2.                    const struct usb_device_id *id)  
  3. {  
  4.     const struct usb_device_id *id_pattern;  
  5.     id_pattern = usb_match_id(interface, generic_device_ids);  
  6.     if (id_pattern != NULL)  
  7.         return usb_serial_probe(interface, id);  
  8.     return -ENODEV;  
  9. }  
static int generic_probe(struct usb_interface *interface,
			       const struct usb_device_id *id)
{
	const struct usb_device_id *id_pattern;

	id_pattern = usb_match_id(interface, generic_device_ids);
	if (id_pattern != NULL)
		return usb_serial_probe(interface, id);
	return -ENODEV;
}
           

最主要的还是调用usb_serial_probe(interface, id)函数

现在我们来看usb_serial_probe()的匹配过程

linux下usb转串口驱动分析

通过probe我们最终将/dev/ttySn设备和usb_serial_port对象绑定起来,我们对/dev/ttySn设备进行操作,对应tty驱动里面的

[cpp] view plain copy print ?

  1. static const struct tty_operations serial_ops = {  
  2.     .open =         serial_open,  
  3.     .close =        serial_close,  
  4.     .write =        serial_write,  
  5.     .hangup =       serial_hangup,  
  6.     .write_room =       serial_write_room,  
  7.     .ioctl =        serial_ioctl,  
  8.     .set_termios =      serial_set_termios,  
  9.     .throttle =     serial_throttle,  
  10.     .unthrottle =       serial_unthrottle,  
  11.     .break_ctl =        serial_break,  
  12.     .chars_in_buffer =  serial_chars_in_buffer,  
  13.     .tiocmget =     serial_tiocmget,  
  14.     .tiocmset =     serial_tiocmset,  
  15.     .cleanup =      serial_cleanup,  
  16.     .install =      serial_install,  
  17.     .proc_fops =        &serial_proc_fops,  
  18. };  
static const struct tty_operations serial_ops = {
	.open =			serial_open,
	.close =		serial_close,
	.write =		serial_write,
	.hangup = 		serial_hangup,
	.write_room =		serial_write_room,
	.ioctl =		serial_ioctl,
	.set_termios =		serial_set_termios,
	.throttle =		serial_throttle,
	.unthrottle =		serial_unthrottle,
	.break_ctl =		serial_break,
	.chars_in_buffer =	serial_chars_in_buffer,
	.tiocmget =		serial_tiocmget,
	.tiocmset =		serial_tiocmset,
	.cleanup = 		serial_cleanup,
	.install = 		serial_install,
	.proc_fops =		&serial_proc_fops,
};
           

比如我们对/dev/ttySn进行写操作,write->serial_write

[cpp] view plain copy print ?

  1. static int serial_write(struct tty_struct *tty, const unsigned char *buf,  
  2.                                 int count)  
  3. {  
  4.     struct usb_serial_port *port = tty->driver_data;  
  5.     int retval = -ENODEV;  
  6.     if (port->serial->dev->state == USB_STATE_NOTATTACHED)  
  7.         goto exit;  
  8.     dbg("%s - port %d, %d byte(s)", __func__, port->number, count);  
  9.     retval = port->serial->type->write(tty, port, buf, count);  
  10. exit:  
  11.     return retval;  
  12. }  
static int serial_write(struct tty_struct *tty, const unsigned char *buf,
								int count)
{
	struct usb_serial_port *port = tty->driver_data;
	int retval = -ENODEV;

	if (port->serial->dev->state == USB_STATE_NOTATTACHED)
		goto exit;

	dbg("%s - port %d, %d byte(s)", __func__, port->number, count);

	/* pass on to the driver specific version of this function */
	retval = port->serial->type->write(tty, port, buf, count);

exit:
	return retval;
}
           

struct usb_serial_port *port = tty->driver_data;找到了这个tty对象所对应的port对象,

port对象里面有驱动信息,urb的缓冲区信息,最终调用的是我们写的用户驱动里面的write方法。

用户驱动通过信使URB将想要发送的数据发送出去。

总结:

通过分析usb 串口驱动可以推测出其他usb设备大致的工作方式,下一步将分析usb网卡的驱动。

linux复杂的代码结构其实是有面向对象的思想

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