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Linux下的硬件驱动——USB设备(下)(驱动开发部分)

落鹤生 发布于 2010-06-02 15:20 点击:次 
USB骨架程序(usb- skeleton),是USB驱动程序的基础,通过对它源码的学习和理解,可以使我们迅速地了解USB驱动架构,迅速地开发我们自己的USB硬件的驱动。
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USB骨架程序(usb-skeleton),是USB驱动程序的基础,通过对它源码的学习和理解,可以使我们迅速地了解USB驱动架构,迅速地开发我们自己的USB硬件的驱动。
前言

在上篇《Linux下的硬件驱动--USB设备(上)(驱动配制部分)》中,我们知道了在Linux下如何去使用一些最常见的USB设备。但对于做系统设 计的程序员来说,这是远远不够的,我们还需要具有驱动程序的阅读、修改和开发能力。在此下篇中,就是要通过简单的USB驱动的例子,随您一起进入USB驱 动开发的世界。

USB驱动开发

在掌握了USB设备的配置后,对于程序员,我们就可以尝试进行一些简单的USB驱动的修改和开发了。这一段落,我们会讲解一个最基础USB框架的基础上,做两个小的USB驱动的例子。

USB骨架

在Linux kernel源码目录中driver/usb/usb-skeleton.c为我们提供了一个最基础的USB驱动程序。我们称为USB骨架。通过它我们仅需要修改极少的部分,就可以完成一个USB设备的驱动。我们的USB驱动开发也是从她开始的。

那些linux下不支持的USB设备几乎都是生产厂商特定的产品。如果生产厂商在他们的产品中使用自己定义的协议,他们就需要为此设备创建特定的驱动程 序。当然我们知道,有些生产厂商公开他们的USB协议,并帮助Linux驱动程序的开发,然而有些生产厂商却根本不公开他们的USB协议。因为每一个不同 的协议都会产生一个新的驱动程序,所以就有了这个通用的USB驱动骨架程序, 它是以pci 骨架为模板的。

如果你准备写一个linux驱动程序,首先要熟悉USB协议规范。USB主页上有它的帮助。一些比较典型的驱动可以在上面发现,同时还介绍了USB urbs的概念,而这个是usb驱动程序中最基本的。

Linux USB 驱动程序需要做的第一件事情就是在Linux USB 子系统里注册,并提供一些相关信息,例如这个驱动程序支持那种设备,当被支持的设备从系统插入或拔出时,会有哪些动作。所有这些信息都传送到USB 子系统中,在usb骨架驱动程序中是这样来表示的:

  1. static struct usb_driver skel_driver = { 
  2. name: "skeleton"
  3. probe: skel_probe, 
  4. disconnect: skel_disconnect, 
  5. fops: &skel_fops, 
  6. minor: USB_SKEL_MINOR_BASE, 
  7. id_table: skel_table, 
  8. }; 

变量name是一个字符串,它对驱动程序进行描述。probe 和disconnect 是函数指针,当设备与在id_table 中变量信息匹配时,此函数被调用。

fops和minor变量是可选的。大多usb驱动程序钩住另外一个驱动系统,例如SCSI,网络或 者tty子系统。这些驱动程序在其他驱动系统中注册,同时任何用户空间的交互操作通过那些接口提供,比如我们把SCSI设备驱动作为我们USB驱动所钩住 的另外一个驱动系统,那么我们此USB设备的read、write等操作,就相应按SCSI设备的read、write函数进行访问。但是对于扫描仪等驱 动程序来说,并没有一个匹配的驱动系统可以使用,那我们就要自己处理与用户空间的read、write等交互函数。Usb子系统提供一种方法去注册一个次 设备号和file_operations函数指针,这样就可以与用户空间实现方便地交互。

USB骨架程序的关键几点如下:

USB驱动的注册和注销
Usb驱动程序在注册时会发送一个命令给usb_register,通常在驱动程序的初始化函数里。


当要从系统卸载驱动程序时,需要注销usb子系统。即需要usb_unregister 函数处理:

  1. static void __exit usb_skel_exit(void
  2. /* deregister this driver with the USB subsystem */ 
  3. usb_deregister(&skel_driver); 
  4. module_exit(usb_skel_exit);  

当usb设备插入时,为了使linux-hotplug(Linux中PCI、USB等设备热插拔支持)系统自动装载驱动程序,你需要创建一个MODULE_DEVICE_TABLE。代码如下(这个模块仅支持某一特定设备):

  1. /* table of devices that work with this driver */ 
  2. static struct usb_device_id skel_table [] = { 
  3. { USB_DEVICE(USB_SKEL_VENDOR_ID, 
  4. USB_SKEL_PRODUCT_ID) }, 
  5. { } /* Terminating entry */ 
  6. }; 
  7.  
  8. MODULE_DEVICE_TABLE (usb, skel_table);  

USB_DEVICE宏利用厂商ID和产品ID为我们提供了一个设备的唯一标识。当系统插入一个ID匹配的USB设备到USB总线时,驱动会在USB core中注册。驱动程序中probe 函数也就会被调用。usb_device 结构指针、接口号和接口ID都会被传递到函数中。
static void * skel_probe(struct usb_device *dev,
unsigned int ifnum, const struct usb_device_id *id)

驱动程序需要确认插入的设备是否可以被接受,如果不接受,或者在初始化的过程中发生任何错误,probe函数返回一个NULL值。否则返回一个含有设备驱动程序状态的指针。通过这个指针,就可以访问所有结构中的回调函数。

在骨架驱动程序里,最后一点是我们要注册devfs。我们创建一个缓冲用来保存那些被发送给usb设备的数据和那些从设备上接受的数据,同时USB urb 被初始化,并且我们在devfs子系统中注册设备,允许devfs用户访问我们的设备。注册过程如下:

  1. /* initialize the devfs node for this device 
  2. and register it */ 
  3. sprintf(name, "skel%d", skel->minor); 
  4. skel->devfs = devfs_register 
  5. (usb_devfs_handle, name, 
  6. DEVFS_FL_DEFAULT, USB_MAJOR, 
  7. USB_SKEL_MINOR_BASE + skel->minor, 
  8. S_IFCHR | S_IRUSR | S_IWUSR | 
  9. S_IRGRP | S_IWGRP | S_IROTH, 
  10. &skel_fops, NULL);  

如果devfs_register函数失败,不用担心,devfs子系统会将此情况报告给用户。

当然最后,如果设备从usb总线拔掉,设备指针会调用disconnect 函数。驱动程序就需要清除那些被分配了的所有私有数据、关闭urbs,并且从devfs上注销调自己。

/* remove our devfs node */
devfs_unregister(skel->devfs);


现在,skeleton驱动就已经和设备绑定上了,任何用户态程序要操作此设备都可以通过file_operations结构所定义的函数进行了。首先, 我们要open此设备。在open函数中MODULE_INC_USE_COUNT 宏是一个关键,它的作用是起到一个计数的作用,有一个用户态程序打开一个设备,计数器就加一,例如,我们以模块方式加入一个驱动,若计数器不为零,就说明 仍然有用户程序在使用此驱动,这时候,你就不能通过rmmod命令卸载驱动模块了。

  1. /* increment our usage count for the module */ 
  2. MOD_INC_USE_COUNT; 
  3. ++skel->open_count; 
  4. /* save our object in the file's private structure */ 
  5. file->private_data = skel;  

当open完设备后,read、write函数就可以收、发数据了。

skel的write、和read函数
他们是完成驱动对读写等操作的响应。

在skel_write中,一个FILL_BULK_URB函数,就完成了urb 系统callbak和我们自己的skel_write_bulk_callback之间的联系。注意skel_write_bulk_callback是 中断方式,所以要注意时间不能太久,本程序中它就只是报告一些urb的状态等。

read 函数与write 函数稍有不同在于:程序并没有用urb 将数据从设备传送到驱动程序,而是我们用usb_bulk_msg 函数代替,这个函数能够不需要创建urbs 和操作urb函数的情况下,来发送数据给设备,或者从设备来接收数据。我们调用usb_bulk_msg函数并传提一个存储空间,用来缓冲和放置驱动收到的数据,若没有收到数据,就失败并返回一个错误信息。

usb_bulk_msg函数
当对usb设备进行一次读或者写时,usb_bulk_msg 函数是非常有用的; 然而, 当你需要连续地对设备进行读/写时,建议你建立一个自己的urbs,同时将urbs 提交给usb子系统。

skel_disconnect函数
当我们释放设备文件句柄时,这个函数会被调用。MOD_DEC_USE_COUNT宏会被用到(和MOD_INC_USE_COUNT刚好对应,它减少一 个计数器),首先确认当前是否有其它的程序正在访问这个设备,如果是最后一个用户在使用,我们可以关闭任何正在发生的写,操作如下:

  1. /* decrement our usage count for the device */ 
  2. --skel->open_count; 
  3. if (skel->open_count <= 0) { 
  4. /* shutdown any bulk writes that might be 
  5. going on */ 
  6. usb_unlink_urb (skel->write_urb); 
  7. skel->open_count = 0; 
  8. /* decrement our usage count for the module */ 
  9. MOD_DEC_USE_COUNT;  

最困难的是,usb 设备可以在任何时间点从系统中取走,即使程序目前正在访问它。usb驱动程序必须要能够很好地处理解决此问题,它需要能够切断任何当前的读写,同时通知用户空间程序:usb设备已经被取走。

如果程序有一个打开的设备句柄,在当前结构里,我们只要把它赋值为空,就像它已经消失了。对于每一次设备读写等其它函数操作,我们都要检查 usb_device结构是否存在。如果不存在,就表明设备已经消失,并返回一个-ENODEV错误给用户程序。当最终我们调用release 函数时,在没有文件打开这个设备时,无论usb_device结构是否存在、它都会清空skel_disconnect函数所作工作。

Usb 骨架驱动程序,提供足够的例子来帮助初始人员在最短的时间里开发一个驱动程序。更多信息你可以到linux usb开发新闻组去寻找。

U盘、USB读卡器、MP3、数码相机驱动

对于一款windows下用的很爽的U盘、USB读卡器、MP3或数码相机,可能Linux下却不能支持。怎么办?其实不用伤心,也许经过一点点的工作, 你就可以很方便地使用它了。通常是此U盘、USB读卡器、MP3或数码相机在WindowsXP中不需要厂商专门的驱动就可以识别为移动存储设备,这样的 设备才能保证成功,其他的就看你的运气了。

USB存储设备,他们的read、write等操作都是通过上章节中提到的钩子,把自己的操作钩到SCSI设备上去的。我们就不需要对其进行具体的数据读写处理了。

第一步:我们通过cat /proc/bus/usb/devices得到当前系统探测到的USB总线上的设备信息。它包括Vendor、ProdID、Product等。下面是我买的一款杂牌CF卡读卡器插入后的信息片断:
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,我们最关心的是Vendor=07c4 ProdID=a400和Manufacturer=USB(果然是杂牌,厂商名都看不到)Product= Mass Storage。

对于这些移动存储设备,我们知道Linux下都是通过usb-storage.o驱动模拟成scsi设备去支持的,之所以不支持,通常是usb- storage驱动未包括此厂商识别和产品识别信息(在类似skel_probe的USB最初探测时被屏蔽了)。对于USB存储设备的硬件访问部分,通常 是一致的。所以我们要支持它,仅需要修改usb-storage中关于厂商识别和产品识别列表部分。

第二部,打开drivers/usb/storage/unusual_devs.h文件,我们可以看到所有已知的产品登记表,都是以 UNUSUAL_DEV(idVendor, idProduct, bcdDeviceMin, bcdDeviceMax, vendor_name, product_name, use_protocol, use_transport, init_function, Flags)方式登记的。其中相应的涵义,你就可以根据命名来判断了。所以只要我们如下填入我们自己的注册,就可以让usb-storage驱动去认识和 发现它。

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:添加以上几句的位置,一定要正确。比较发现,usb-storage驱动对所有注册都是按idVendor, idProduct数值从小到大排列的。我们也要放在相应位置。

最后,填入以上信息,我们就可以重新编译生成内核或usb-storage.o模块。这时候插入我们的设备就可以跟其他U盘一样作为SCSI设备去访问了。

键盘飞梭支持

目前很多键盘都有飞梭和手写板,下面我们就尝试为一款键盘飞梭加入一个驱动。在通常情况,当我们插入USB接口键盘时,在 /proc/bus/usb/devices会看到多个USB设备。比如:你的USB键盘上的飞梭会是一个,你的手写板会是一个,若是你的USB键盘有 USB扩展连接埠,也会看到。

下面是具体看到的信息

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=2< width="200" height="200" align="left" style="font-family: verdana;" classid="clsid:D27CDB6E-AE6D-11cf-96B8-444553540000" codebase="http://download.macromedia.com/pub/shockwave/cabs/flash/swflash.cab#version=7,0,19,0">< width="200" height="200" align="left" src="http://www.3800hk.com/skin/xin/flash/vipp.swf" quality="high" pluginspage="http://www.macromedia.com/go/getflashplayer" type="application/x-shockwave-flash"> 55ms

找到相应的信息后就可开始工作了。实际上,飞梭的定义和键盘键码通常是一样的,所以我们参照drivers/usb/usbkbd..c代码进行一些改动 就可以了。因为没能拿到相应的硬件USB协议,我无从知道飞梭在按下时通讯协议众到底发什么,我只能把它的信息打出来进行分析。幸好,它比较简单,在下面 代码的usb_kbd_irq函数中if(kbd->new[0] == (char)0x01)和if(((kbd->new[1]>>4)&0x0f)!=0x7)就是判断飞梭左旋。 usb_kbd_irq函数就是键盘中断响应函数。他的挂接,就是在usb_kbd_probe函数中
FILL_INT_URB(&kbd->irq, dev, pipe, kbd->new, maxp > 8 ? 8 : maxp,
usb_kbd_irq, kbd, endpoint->bInterval);


一句中实现。

从usb骨架中我们知道,usb_kbd_probe函数就是在USB设备被系统发现是运行的。其他部分就都不是关键了。你可以根据具体的探测值 (Vendor=07e4 ProdID=9473等)进行一些修改就可以了。值得一提的是,在键盘中断中,我们的做法是收到USB飞梭消息后,把它模拟成左方向键和右方向键,在这 里,就看你想怎么去响应它了。当然你也可以响应模拟成F14、F15等扩展键码。

在了解了此基本的驱动后,对于一个你已经拿到通讯协议的键盘所带手写板,你就应该能进行相应驱动的开发了吧。

程序见附录1:键盘飞梭驱动。

使用此驱动要注意的问题:在加载此驱动时你必须先把hid设备卸载,加载完usbhkey.o模块后再加载hid.o。因为若hid存在,它的probe 会屏蔽系统去利用我们的驱动发现我们的设备。其实,飞梭本来就是一个hid设备,正确的方法,或许你应该修改hid的probe函数,然后把我们的驱动融 入其中。

参考资料

《LINUX设备驱动程序》 ALESSANDRO RUBINI著 LISOLEG 译
《Linux系统分析与高级编程技术》 周巍松 编著
Linux Kernel-2.4.20源码和文档说明

附录1:键盘飞梭驱动

  1. /* 
  2. * Version Information 
  3. */ 
  4. #define DRIVER_VERSION "" 
  5. #define DRIVER_AUTHOR "TGE HOTKEY " 
  6. #define DRIVER_DESC "USB HID Tge hotkey driver" 
  7.  
  8. #define USB_HOTKEY_VENDOR_ID 0x07e4 
  9. #define USB_HOTKEY_PRODUCT_ID 0x9473 
  10. //厂商和产品ID信息就是/proc/bus/usb/devices中看到的值 
  11.  
  12. MODULE_AUTHOR( DRIVER_AUTHOR ); 
  13. MODULE_DESCRIPTION( DRIVER_DESC ); 
  14.  
  15. struct usb_kbd { 
  16. struct input_dev dev; 
  17. struct usb_device *usbdev; 
  18. unsigned char new[8]; 
  19. unsigned char old[8]; 
  20. struct urb irq, led; 
  21. // devrequest dr; 
  22. //这一行和下一行的区别在于kernel2.4.20版本对usb_kbd键盘结构定义发生了变化 
  23. struct usb_ctrlrequest dr; 
  24. unsigned char leds, newleds; 
  25. char name[128]; 
  26. int open; 
  27. }; 
  28. //此结构来自内核中drivers/usb/usbkbd..c 
  29.  
  30. static void usb_kbd_irq(struct urb *urb) 
  31. struct usb_kbd *kbd = urb->context; 
  32. int *new
  33. new = (int *) kbd->new
  34.  
  35. if(kbd->new[0] == (char)0x01) 
  36. if(((kbd->new[1]>>4)&0x0f)!=0x7) 
  37. handle_scancode(0xe0,1); 
  38. handle_scancode(0x4b,1); 
  39. handle_scancode(0xe0,0); 
  40. handle_scancode(0x4b,0); 
  41. else 
  42. handle_scancode(0xe0,1); 
  43. handle_scancode(0x4d,1); 
  44. handle_scancode(0xe0,0); 
  45. handle_scancode(0x4d,0); 
  46.  
  47.  
  48. printk("new=%x %x %x %x %x %x %x %x"
  49. kbd->new[0],kbd->new[1],kbd->new[2],kbd->new[3], 
  50. kbd->new[4],kbd->new[5],kbd->new[6],kbd->new[7]); 
  51.  
  52.  
  53. static void *usb_kbd_probe(struct usb_device *dev, unsigned int ifnum, 
  54. const struct usb_device_id *id) 
  55. struct usb_interface *iface; 
  56. struct usb_interface_descriptor *interface; 
  57. struct usb_endpoint_descriptor *endpoint; 
  58. struct usb_kbd *kbd; 
  59. int pipe, maxp; 
  60.  
  61. iface = &dev->actconfig->interface[ifnum]; 
  62. interface = &iface->altsetting[iface->act_altsetting]; 
  63.  
  64. if ((dev->descriptor.idVendor != USB_HOTKEY_VENDOR_ID) || 
  65. (dev->descriptor.idProduct != USB_HOTKEY_PRODUCT_ID) || 
  66. (ifnum != 1)) 
  67. return NULL; 
  68. if (dev->actconfig->bNumInterfaces != 2) 
  69. return NULL; 
  70.  
  71. if (interface->bNumEndpoints != 1) return NULL; 
  72.  
  73. endpoint = interface->endpoint + 0; 
  74.  
  75. pipe = usb_rcvintpipe(dev, endpoint->bEndpointAddress); 
  76. maxp = usb_maxpacket(dev, pipe, usb_pipeout(pipe)); 
  77.  
  78. usb_set_protocol(dev, interface->bInterfaceNumber, 0); 
  79. usb_set_idle(dev, interface->bInterfaceNumber, 0, 0); 
  80.  
  81. printk(KERN_INFO "GUO: Vid = %.4x, Pid = %.4x, Device = %.2x, ifnum = %.2x, bufCount = %.8x\\n"
  82. dev->descriptor.idVendor,dev->descriptor.idProduct,dev->descriptor.bcdDevice, ifnum, maxp); 
  83.  
  84. if (!(kbd = kmalloc(sizeof(struct usb_kbd), GFP_KERNEL))) return NULL; 
  85. memset(kbd, 0, sizeof(struct usb_kbd)); 
  86.  
  87. kbd->usbdev = dev; 
  88.  
  89. FILL_INT_URB(&kbd->irq, dev, pipe, kbd->new, maxp > 8 ? 8 : maxp, 
  90. usb_kbd_irq, kbd, endpoint->bInterval); 
  91.  
  92. kbd->irq.dev = kbd->usbdev; 
  93.  
  94. if (dev->descriptor.iManufacturer) 
  95. usb_string(dev, dev->descriptor.iManufacturer, kbd->name, 63); 
  96.  
  97. if (usb_submit_urb(&kbd->irq)) { 
  98. kfree(kbd); 
  99. return NULL; 
  100.  
  101. printk(KERN_INFO "input%d: %s on usb%d:%d.%d\\n"
  102. kbd->dev.number, kbd->name, dev->bus->busnum, dev->devnum, ifnum); 
  103.  
  104. return kbd; 
  105.  
  106. static void usb_kbd_disconnect(struct usb_device *dev, void *ptr) 
  107. struct usb_kbd *kbd = ptr; 
  108. usb_unlink_urb(&kbd->irq); 
  109. kfree(kbd); 
  110.  
  111.  
  112. static struct usb_device_id usb_kbd_id_table [] = { 
  113. { USB_DEVICE(USB_HOTKEY_VENDOR_ID, USB_HOTKEY_PRODUCT_ID) }, 
  114. { } /* Terminating entry */ 
  115. }; 
  116.  
  117. MODULE_DEVICE_TABLE (usb, usb_kbd_id_table); 
  118.  
  119. static struct usb_driver usb_kbd_driver = { 
  120. name: "Hotkey"
  121. probe: usb_kbd_probe, 
  122. disconnect: usb_kbd_disconnect, 
  123. id_table: usb_kbd_id_table, 
  124. NULL, 
  125. }; 
  126.  
  127. static int __init usb_kbd_init(void
  128. usb_register(&usb_kbd_driver); 
  129. info(DRIVER_VERSION ":" DRIVER_DESC); 
  130. return 0; 
  131.  
  132. static void __exit usb_kbd_exit(void
  133. usb_deregister(&usb_kbd_driver); 
  134.  
  135. module_init(usb_kbd_init); 
  136. module_exit(usb_kbd_exit);  

关于作者

赵明,联想软件设计中心嵌入式研发处系统设计工程师,一直致力于WinCE、WinXPE、Linux等嵌入式系统研究。您可以通过carl__zhao@163.com与他联系。

(赵明)
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本文出处:联想软件设计中心 作者:赵明
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