Linux2.6环境下USB设备的驱动实现
linux2.6环境下usb设备的驱动实现
0 概述
嵌入式linux系统环境以其易于移植裁减、内核小、效率高、完整、原代码开放及性能优异等特点，在嵌入式领域得到了非常广泛的应用。linux的usb设备端的源代码中主要有usb device的海量存储设备、串口设备、网络设备等设备驱动程序及各种usb device控制器芯片的驱动程序。市场上usb设备控制器芯片种类繁多，大多数用户需要针对特定应用来开发相关的usb设备控制器驱动程序，才能使设备正常工作在linux操作系统下。
1 usb设备端驱动系统
linux gadget子系统主要分为三层：第一层为芯片驱动层，负责将各种usb device控制器抽象为统一的函数接口，以供上层驱动程序调用；第二层主要是对操作函数的简单封装；第三层为设备驱动层，可根据系统的需求实现所对应的功能。图1所示是linux gadget子系统的驱动层次。linux gadget子系统的设备驱动层主要根据各个类别的规范及协议实现各种设备的驱动，本设计需要使一个嵌入式设备拥有移动硬盘的功能，所以，可以根据海量存储类的规范及协议来实现该功能。
1.1 udc驱动的基本构架
图2所示是udc驱动的基本构架图。在控制器驱动程序中，首先应注册platform驱动，调用其probe函数搜索设备，并在probe函数内初始化usb_ep和usb_gadget等结构，然后注册设备，并申请中断，接着等待中断进入中断服务子程序，最后声明和实现usb_gadget_register_driver注册函数并输出给上层驱动。在该过程中，联系它们的纽带是一些全局结构体变量。
1.2 gadget api
gadget api为gadget系统定义了统一的数据结构和接口函数，它和主机端的usb core地位类似，但功能仅限于提供编程接口，如用结构体usb_gadget_ops和usb_ep_ops对设备控制器驱动操作函数和端点操作函数进行重新封装。比较特殊的是gadget驱动程序注册函数usb_gadget_register_driver，它们是由设备控制器(udc)驱动直接提供的，用于将udc绑定到gadget driver。这增加了gadget driver和udc之间的依赖性。
在设备端，gadget系统虽然类似主机驱动系统分了三层结构，但gadget api只定义了一些数据结构、宏和功能函数，并对udc驱动程序进行了简单包装，而没有驱动管理等功能。
1.3设备应用驱动程序
设备端应用程序(gadget driver)用于控制usb设备功能的实现，使设备表现出“网络连接”、“打印机”或“大容量存储设备”等特性。本文以大容量移动存储设备为例来实现移动硬盘的功能。
bulk only传输指的是主机和大容量存储设备之间的一种数据传输方式。
2设备端驱动调度
在嵌入式linux操作系统中，gadget driver和gadget api可完成部分usb协议处理、bulk only等传输协议以及指令的解析处理，用户只需要在设备控制器驱动程序中完成部分usb协议处理和gadget api的衔接工作。
图3所示的流程图给出了usb设备端驱动程序的基本调度思想。该方案的主要思路是被动的接受主机端的传输命令(任何类型的通信都由usb主机发起，usb设备间不能直接通信)，然后通过中断触发的方式完成主机端的数据传输。当产生设备端中断时，设备控制器驱动程序首先判断中断类型。当其为批量传输端点in中断时，驱动程序会将该ep下链接的req中的数据依次写入usb2.0 otg ip的设备控制器的内存区；当其为批量传输out中断时，驱动程序会将设备控制器内存区的数据读入req中的buffer中；当其为端点0的控制传输中断时，驱动程序将读取端点缓冲区的数据，并解析当前的设备请求。如果主机传输给设备的设备请求为usb reo sedress(设置设备地址)、usb_req_get_status(获取设备状态)、usb_req_set_feature(设置设备特性)，设备控制器驱动程序会自行响应请求。但是，如果是其它设备请求，如get_descriptor(获取设备描述符)时，设备控制器驱动便会将该请求提交给gadget driver，然后由gadget driver排队将该设备请求提交给端点，以等待下次控制端点中断。
控制传输比较复杂，它需要完成建立阶段、数据传输阶段和状态阶段。整个控制端点中断的处理可通过四个状态实现，分别是：端点0空闲(ep0_idle)、 数据in传输(ep0 in data_phase)、数据out传输(ep0 out data_phase)和状态阶段(epo_status)。
ep0_idle状态主要处理建立阶段的setup令牌，并根据获得的设备请求处理能够处理的设备请求，同时把不能处理的设备请求(如获取设备描述符，配置描述符等)提交给上层gadget driver；ep0_out_data_phase状态主要处理数据阶段的out传输；ep0_out_data_phase状态主要处理数据阶段的in传输；ep0_status状态则主要完成控制传输过程中的状态阶段。
在图3所示的流程图中，ep0为控制传输端点，ep1、ep2、ep3为批量传输端点，它们主要包括端点传输类型、端点缓冲区大小等信息。req为gadget driver提交的端点请求，主要包含传输的数据长度和地址。
3 udc的设计与实现
设备控制器驱动主要分为gadget driver接口模块、gadget api函数模块、中断处理模块、数据结构定义、初始化模块、硬件读写模块等，各模块可以单独进行设计。
3.1 数据结构定义
根据gadget api提供的数据结构，可以定义自己的数据结构(如设备数据结构otg_udc，端点数据结构otg_udc_ep等)来描述该usb设备控制器。
定义完特定的设备控制器驱动的数据结构后，再进行相应的映射(static struct otg_ip_udcmemory)，以便将具体的设备控制器、设备端点和gadget的抽象数据结构联系起来。
3.2 gadget driver接口模块
udc驱动提供有usb_gadget_driver_register模块，该模块可实usb_gadget_register_driver等绑定函数的功能，以绑定udc和gadget driver。
3.3 gadget api函数模块
linux usb gadget driver api定义了一个通用的gadget driver的接口，利用gadget driver可通过api与底层usb controller driver进行通信。该api屏蔽了底层硬件的不同，故可使gadget driver只注重功能的实现，而尽量与硬件无关。其代码如下：
该模块主要实现gadget api定义的函数功能，如结构体usb_ep_ops和usb_gadget_ops中的函数，以及usb_gadget_register_driver注册函数等。这些函数可供gadget driver调用。
3.4 中断处理模块
由于设备是被动的接受主机的控制，设备的所有行为都是基于设备中断的触发，因此，函数主要处理reset中断、resume中断、suspend中断、ep0中断以及其他端口中断。
3.5 初始化模块
初始化主要是打开中断、打开并设置端点、设置最大总线转向时间(此时问即包间最大等待时间)，还要设置最大缓冲区长度等。
3.6 硬件读写模块
和主机控制器驱动程序类似，设备控制器的读写方式分为pio读写和dma读写两种模式，读写内容也分为寄存器读写和端点缓冲区读写。在读写过程中，所有读写地址都必须是双字节对齐模式。
4 驱动测试结果
本文研究的hcd已经应用于实际的工程中，驱动测试的硬件环境如图4所示。
本系统的硬件平台是realview eb，这是一个高度集成的开发板，其母板上的硬件资源包括：一个fpga (xilinx virtex-ii xc2v6000)、静态和动态内存、集成外围设备和两个用于core tiles连接的tile连接器。设计时可通过增加一个额外的core tile(arm926ejs core)来创建一个微处理系统。logic tile(xilinx xc2v6000)中包含有一块具有主机控制器功能的芯片otg_ip，otg_ip可通过片内总线ahb挂载在母板eb上。在该开发板上运行linux系统时，可通过交叉编译调试环境将开发报与一台pc机相连，这样，调试信息就可以通过串口打印在该主机的终端上。otg_ip可通过ulpi接口连接phy芯片，并与usb设备相连。
设备控制器驱动模块otg_ip_udc.ko和g_filestorage.ko成功加载后，再将其作为移动优盘插入电脑主机的usb接口，驱动即可成功识别。图5所示是内核打印的信息结果。
5 结束语
usb通用串行总线具有传输速率高、功耗低、可热插拔和发展快速等优点，而linus操作系统则具有易于移植和裁减、内核小、效率高、原代码开放等特点，本文通过将其结合而给出的linux环境下的usb设备驱动方法，可以快速地实现大容量的存储功能，实验表明：该系统的数据读写速度可以达到681 kb／s，而且效果良好。
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1 usb设备端驱动系统
linux gadget子系统主要分为三层：第一层为芯片驱动层，负责将各种usb device控制器抽象为统一的函数接口，以供上层驱动程序调用；第二层主要是对操作函数的简单封装；第三层为设备驱动层，可根据系统的需求实现所对应的功能。图1所示是linux gadget子系统的驱动层次。linux gadget子系统的设备驱动层主要根据各个类别的规范及协议实现各种设备的驱动，本设计需要使一个嵌入式设备拥有移动硬盘的功能，所以，可以根据海量存储类的规范及协议来实现该功能。
1.1 udc驱动的基本构架
图2所示是udc驱动的基本构架图。在控制器驱动程序中，首先应注册platform驱动，调用其probe函数搜索设备，并在probe函数内初始化usb_ep和usb_gadget等结构，然后注册设备，并申请中断，接着等待中断进入中断服务子程序，最后声明和实现usb_gadget_register_driver注册函数并输出给上层驱动。在该过程中，联系它们的纽带是一些全局结构体变量。
1.2 gadget api
gadget api为gadget系统定义了统一的数据结构和接口函数，它和主机端的usb core地位类似，但功能仅限于提供编程接口，如用结构体usb_gadget_ops和usb_ep_ops对设备控制器驱动操作函数和端点操作函数进行重新封装。比较特殊的是gadget驱动程序注册函数usb_gadget_register_driver，它们是由设备控制器(udc)驱动直接提供的，用于将udc绑定到gadget driver。这增加了gadget driver和udc之间的依赖性。
在设备端，gadget系统虽然类似主机驱动系统分了三层结构，但gadget api只定义了一些数据结构、宏和功能函数，并对udc驱动程序进行了简单包装，而没有驱动管理等功能。
1.3设备应用驱动程序
设备端应用程序(gadget driver)用于控制usb设备功能的实现，使设备表现出“网络连接”、“打印机”或“大容量存储设备”等特性。本文以大容量移动存储设备为例来实现移动硬盘的功能。
bulk only传输指的是主机和大容量存储设备之间的一种数据传输方式。
2设备端驱动调度
在嵌入式linux操作系统中，gadget driver和gadget api可完成部分usb协议处理、bulk only等传输协议以及指令的解析处理，用户只需要在设备控制器驱动程序中完成部分usb协议处理和gadget api的衔接工作。
图3所示的流程图给出了usb设备端驱动程序的基本调度思想。该方案的主要思路是被动的接受主机端的传输命令(任何类型的通信都由usb主机发起，usb设备间不能直接通信)，然后通过中断触发的方式完成主机端的数据传输。当产生设备端中断时，设备控制器驱动程序首先判断中断类型。当其为批量传输端点in中断时，驱动程序会将该ep下链接的req中的数据依次写入usb2.0 otg ip的设备控制器的内存区；当其为批量传输out中断时，驱动程序会将设备控制器内存区的数据读入req中的buffer中；当其为端点0的控制传输中断时，驱动程序将读取端点缓冲区的数据，并解析当前的设备请求。如果主机传输给设备的设备请求为usb reo sedress(设置设备地址)、usb_req_get_status(获取设备状态)、usb_req_set_feature(设置设备特性)，设备控制器驱动程序会自行响应请求。但是，如果是其它设备请求，如get_descriptor(获取设备描述符)时，设备控制器驱动便会将该请求提交给gadget driver，然后由gadget driver排队将该设备请求提交给端点，以等待下次控制端点中断。
控制传输比较复杂，它需要完成建立阶段、数据传输阶段和状态阶段。整个控制端点中断的处理可通过四个状态实现，分别是：端点0空闲(ep0_idle)、 数据in传输(ep0 in data_phase)、数据out传输(ep0 out data_phase)和状态阶段(epo_status)。
ep0_idle状态主要处理建立阶段的setup令牌，并根据获得的设备请求处理能够处理的设备请求，同时把不能处理的设备请求(如获取设备描述符，配置描述符等)提交给上层gadget driver；ep0_out_data_phase状态主要处理数据阶段的out传输；ep0_out_data_phase状态主要处理数据阶段的in传输；ep0_status状态则主要完成控制传输过程中的状态阶段。
在图3所示的流程图中，ep0为控制传输端点，ep1、ep2、ep3为批量传输端点，它们主要包括端点传输类型、端点缓冲区大小等信息。req为gadget driver提交的端点请求，主要包含传输的数据长度和地址。
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3.1 数据结构定义
根据gadget api提供的数据结构，可以定义自己的数据结构(如设备数据结构otg_udc，端点数据结构otg_udc_ep等)来描述该usb设备控制器。
定义完特定的设备控制器驱动的数据结构后，再进行相应的映射(static struct otg_ip_udcmemory)，以便将具体的设备控制器、设备端点和gadget的抽象数据结构联系起来。
3.2 gadget driver接口模块
udc驱动提供有usb_gadget_driver_register模块，该模块可实usb_gadget_register_driver等绑定函数的功能，以绑定udc和gadget driver。
3.3 gadget api函数模块
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3.6 硬件读写模块
和主机控制器驱动程序类似，设备控制器的读写方式分为pio读写和dma读写两种模式，读写内容也分为寄存器读写和端点缓冲区读写。在读写过程中，所有读写地址都必须是双字节对齐模式。
4 驱动测试结果
本文研究的hcd已经应用于实际的工程中，驱动测试的硬件环境如图4所示。
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设备控制器驱动模块otg_ip_udc.ko和g_filestorage.ko成功加载后，再将其作为移动优盘插入电脑主机的usb接口，驱动即可成功识别。图5所示是内核打印的信息结果。
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