Linux硬件驱动：USB设备驱动开发篇

作者：赵明　来源：联想软件

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：


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,
};

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：
　　1. 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：


static void __exit usb_skel_exit(void)
{
/* deregister this driver with the USB subsystem */
usb_deregister(&skel_driver);
}
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）：

/* table of devices that work with this driver */
static struct usb_device_id skel_table [] = {
{ USB_DEVICE(USB_SKEL_VENDOR_ID,
USB_SKEL_PRODUCT_ID) },
{ } /* Terminating entry */
};
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：



/* initialize the devfs node for this device and register it */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。


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



　　当open完设备后，read、write函数就可以收、发数据了。

　　2. 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。

　　3. 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。

　　4. 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：




/* decrement our usage count for the device */--skel->;open_count;if (skel->;open_count <= 0) { /* shutdown any bulk writes that might be going on */ usb_unlink_urb (skel->;write_urb); skel->;open_count = 0;}/* decrement our usage count for the module */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= 0msE: 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= 2B: Alloc= 11/900 us ( 1%), #Int= 1, #Iso= 0D: Ver= 1.00 Cls=09(hub ) Sub=00 Prot=00 MxPS= 8 #Cfgs= 1P: Vendor=0000 ProdID=0000 Rev= 0.00S: Product=USB UHCI Root HubS: SerialNumber=d800C:* #Ifs= 1 Cfg#= 1 Atr=40 MxPwr= 0mAI: If#= 0 Alt= 0 #EPs= 1 Cls=09(hub ) Sub=00 Prot=00 Driver=hubE: Ad=81(I) Atr=03(Int.) MxPS= 8 Ivl=255msT: Bus=02 Lev=01 Prnt=01 Port=01 Cnt=01 Dev#= 3 Spd=12 MxCh= 3D: Ver= 1.10 Cls=09(hub ) Sub=00 Prot=00 MxPS= 8 #Cfgs= 1P: Vendor=07e4 ProdID=9473 Rev= 0.02S: Manufacturer=ALCORS: Product=Movado USB KeyboardC:* #Ifs= 1 Cfg#= 1 Atr=e0 MxPwr=100mAI: If#= 0 Alt= 0 #EPs= 1 Cls=09(hub ) Sub=00 Prot=00 Driver=hubE: Ad=81(I) Atr=03(Int.) MxPS= 1 Ivl=255ms



　　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
　　1. 《LINUX设备驱动程序》
　　ALESSANDRO RUBINI著
　　LISOLEG 译
　　2. 《Linux系统分析与高级编程技术》
　　周巍松 编著
　　3. Linux Kernel-2.4.20源码和文档说明
　　附录1：键盘飞梭驱动

引用:

#include ;#include ;#include ;#include ;#include ;#include ;#include ;/** Version Information*/#define DRIVER_VERSION ""#define DRIVER_AUTHOR "TGE HOTKEY "#define DRIVER_DESC "USB HID Tge hotkey driver"#define USB_HOTKEY_VENDOR_ID 0x07e4#define USB_HOTKEY_PRODUCT_ID 0x9473//厂商和产品ID信息就是/proc/bus/usb/devices中看到的值MODULE_AUTHOR( DRIVER_AUTHOR );MODULE_DESCRIPTION( DRIVER_DESC );struct usb_kbd { struct input_dev dev; struct usb_device *usbdev; unsigned char new[8]; unsigned char old[8]; struct urb irq, led;// devrequest dr; //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 struct usb_ctrlrequest dr; unsigned char leds, newleds; char name[128]; int open;};//此结构来自内核中drivers/usb/usbkbd..cstatic void usb_kbd_irq(struct urb *urb){ struct usb_kbd *kbd = urb->;context; int *new; new = (int *) kbd->;new; if(kbd->;new[0] == (char)0x01) { if(((kbd->;new[1]>;>;4)&0x0f)!=0x7) {handle_scancode(0xe0,1);handle_scancode(0x4b,1); handle_scancode(0xe0,0); handle_scancode(0x4b,0); } else { handle_scancode(0xe0,1); handle_scancode(0x4d,1); handle_scancode(0xe0,0); handle_scancode(0x4d,0); } } printk("new=%x %x %x %x %x %x %x %x", kbd->;new[0],kbd->;new[1],kbd->;new[2],kbd->;new[3], kbd->;new[4],kbd->;new[5],kbd->;new[6],kbd->;new[7]); }static void *usb_kbd_probe(struct usb_device *dev, unsigned int ifnum, const struct usb_device_id *id){ struct usb_interface *iface; struct usb_interface_descriptor *interface; struct usb_endpoint_descriptor *endpoint; struct usb_kbd *kbd; int pipe, maxp; iface = &dev->;actconfig->;interface[ifnum]; interface = &iface->;altsetting[iface->;act_altsetting]; if ((dev->;descriptor.idVendor != USB_HOTKEY_VENDOR_ID) || (dev->;descriptor.idProduct != USB_HOTKEY_PRODUCT_ID) || (ifnum != 1)) { return NULL; } if (dev->;actconfig->;bNumInterfaces != 2) { return NULL; } if (interface->;bNumEndpoints != 1) return NULL; endpoint = interface->;endpoint + 0; pipe = usb_rcvintpipe(dev, endpoint->;bEndpointAddress); maxp = usb_maxpacket(dev, pipe, usb_pipeout(pipe)); usb_set_protocol(dev, interface->;bInterfaceNumber, 0); usb_set_idle(dev, interface->;bInterfaceNumber, 0, 0); printk(KERN_INFO "GUO: Vid = %.4x, Pid = %.4x, Device = %.2x, ifnum = %.2x, bufCount = %.8x\\n", dev->;descriptor.idVendor,dev->;descriptor.idProduct,dev->;descriptor.bcdDevice, ifnum, maxp); if (!(kbd = kmalloc(sizeof(struct usb_kbd), GFP_KERNEL))) return NULL; memset(kbd, 0, sizeof(struct usb_kbd)); kbd->;usbdev = dev; FILL_INT_URB(&kbd->;irq, dev, pipe, kbd->;new, maxp >; 8 ? 8 : maxp, usb_kbd_irq, kbd, endpoint->;bInterval); kbd->;irq.dev = kbd->;usbdev; if (dev->;descriptor.iManufacturer) usb_string(dev, dev->;descriptor.iManufacturer, kbd->;name, 63); if (usb_submit_urb(&kbd->;irq)) { kfree(kbd); return NULL; } printk(KERN_INFO "input%d: %s on usb%d:%d.%d\\n", kbd->;dev.number, kbd->;name, dev->;bus->;busnum, dev->;devnum, ifnum); return kbd;}static void usb_kbd_disconnect(struct usb_device *dev, void *ptr){ struct usb_kbd *kbd = ptr; usb_unlink_urb(&kbd->;irq); kfree(kbd);}static struct usb_device_id usb_kbd_id_table [] = { { USB_DEVICE(USB_HOTKEY_VENDOR_ID, USB_HOTKEY_PRODUCT_ID) }, { } /* Terminating entry */};MODULE_DEVICE_TABLE (usb, usb_kbd_id_table);static struct usb_driver usb_kbd_driver = { name: "Hotkey", probe: usb_kbd_probe, disconnect: usb_kbd_disconnect, id_table: usb_kbd_id_table, NULL,};static int __init usb_kbd_init(void){ usb_register(&usb_kbd_driver); info(DRIVER_VERSION ":" DRIVER_DESC); return 0;}static void __exit usb_kbd_exit(void){ usb_deregister(&usb_kbd_driver);}module_init(usb_kbd_init);module_exit(usb_kbd_exit);