Linux下有中断端点的USB设备驱动的实现

１５７６ ２０１０，３１（７）
计算机工程与设计ＣｏｍｐｕｔｅｒＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄＤｅｓｉｇｎ
·开发与应用·
Ｌｉｎｕｘ下有中断端点的ＵＳＢ设备驱动的实现
金鑫， 孙松林， 景晓军 （北京邮电大学，北京１００８７６）
摘要：手写板是有中断端点的ＵＳＢ设备，为了在Ｌｉｎｕｘ下实现此类设备的驱动，分析了ＵＳＢ设备的基本概念和Ｌｉｎｕｘ设备 驱动原理，对Ｌｉｎｕｘ下设备驱动程序的内部机制和框架构成进行了研究。在此基础上，提出了引入信号量机制控制内核线 程同步的方法来实现ｒｅａｄ函数，进而设计出Ｌｉｎｕｘ下有中断端点的ＵＳＢ设备的驱动程序。通过编写应用程序和设计对比实 验，证明了此驱动可以准确、高效地读写设备．与针对中断端点普遍采用的输入子系统方式相比，简化了程序设计，提高了 系统效率。 关键词：ＵＳＢ；设备驱动程序；中断端点；Ｌｉｎｕｘ；信号量 中图法分类号：ＴＰ３１１．１１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１０００．７０２４（２０１０）０７－１５７６－０４
程序中，读函数一次即可完成数据传输，而中断端点的传输方 式是中断的，要多次读取数据，所以需要解决线程同步问题， 相对比较复杂。本文将以手写板设备为例，参考Ｌｉｎｕｘ内核源 码中批量端点的ＵＳＢ设备驱动的示例脚，对Ｌｉｎｕｘ下如何设计 和实现有中断端点的ＵＳＢ设备驱动进行研究。实验结果显 示，设计出的驱动可以成功读写设备。
１ ＵＳＢ系统简介
ＵＳＢ意为通用串行总线，以单一类型的总线连接各种不 同类型的设备，是一种被动的总线类型，不能主动向主机发送 任何消息。
ＵＳＢ驱动程序在内核中的位置如图１所示。ＵＳＢ核心通 过定义一系列的数据结构、函数和宏来抽象设备的硬件细节， 提供专门的接口来支持ＵＳＢ设备驱动和主控制器。
Ｌｉｎｕｘ操作系统将设备分成４种类型：字符设备，块设备， 网络设备和其它设备０１。鼠标、键盘、串口属于字符设备，它们 可以很好地用“流”来描述。本文主要讨论字符设备。
次读完的方法；而对于中断类型的端点，则需要多次的读， 该例程无法正常工作。本文在此例程的基础上加以研究、进
行改进，针对有中断端点的ＵＳＢ手写板设备，设计并实现了
其驱动。
４．１设计与实现有中断端点的ＵＳＢ设备驱动 设计有中断端点的ＵＳＢ设备驱动步骤如下：
（１）Ｌｉｎｕｘ设备驱动程序作为内核的一部分，运行于内核
态，需包含相应的头文件和编译预定义。 （２）定义ｕｓｂ ｓｋｅｌ结构体变量ｄｅｖ，用来保存硬件设备基本
信息，包括设备、接口、引用主键、读写缓冲区、读写端点能处 理的字节数、读写端点的地址、读写端点轮询的时间间隔。
（３）根据设备制造商和设备号定义变量ｓｋｅｌ＿ｔａｂｌｅ来创建
匹配硬件列表。定义ｕｓｂ＿ｄｒｉｖｅｒ结构体变量ｓｋｅｌ＿ｄｒｉｖｅｒ来描述 驱动程序，初始化ｎａｍｅ、ｉｄ ｔａｂｅ、ｐｒｏｂｅ、ｄｉｓｃｏｎｎｅｃｔ等成员。在 ｕｓｂ ｓｋｅｌ ｉｎｉｔ和ｕｓｂ ｓｋｅｌ ｅｘｉｔ函数中，分别调用ｕｓｂ
图２ ＵＳＢ设备结构
ＵＳＢ通信最基本的形式是通过端点（ＵＳＢ端点分中断、批 量、等时、控制４种）进行的例，ｕｓＢ端点可看作是单向的管道， 只能往一个方向传送数据，从主机到设备或者从设备到主机。 ２ Ｌｉｎｕｘ设备驱动原理
Ｌｉｎｕｘ驱动硬件的步骤如下： （１）首先加载驱动程序，向系统注册，得到一个主设备号。 （２）当安装上相应硬件后，驱动程序会根据主设备号在／ｄｅｖ 目录下创建一个设备文件，并给该设备文件分配一个次设备 号，就是说该硬件设备文件有主、次设备号“１。 （３）当打开此设备文件时，Ｌｉｎｕｘ操作系统就知道该设备对 应的驱动程序，对其加以控制。 在应用程序与硬件设备通信过程中，涉及一个很重要的 数据结构：ｆｉｌｅ＿ｏｐｅｒａｔｉｏｎｓ。这个结构主要包括ｏｐｅｎ、ｒｅａｄ、ｗｒｉｔｅ、 ｒｅｌｅａｓｅ等成员，每个成员是一个系统调用，分别对应驱动程序 中定义的ｏｐｅｎ、ｒｅａｄ、ｗｒｉｔｅ、ｒｅｌｅａｓｅ等函数啪。当应用程序对某 个设备文件执行ｏｐ蜘、ｒｅａｄ等函数时，首先设备文件会根据已 分配的主、次设备号找到设备驱动程序，再根据设备驱动程序 对ｆｉｌｅ＿ｏｐｅｒａｔｉｏｎ结构体定义的系统调用，找到对应的ｏｐｅｎ、ｒｅａｄ 等函数，并把控制权交给相应函数，完成与硬件设备的通信。 如图３所示。
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏ ｒｅａｌｉｚｅ ｔｈｅ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｃｏｍｐｕｔｅｒ ａｎｄ ｈａｎｄｗｒｉｔｉｎｇ ｂｏａｒｄ ｗｈｉｃｈ ｉｓ ａ ｋｉｎｄ ｏｆｄｅｖｉｃｅ ｗｉｔｈ ｉｎｔｅｒｒｕｐｔ ｅｎｄｐｏｉｎｔｓ，ａ ｍｅｔｈｏｄ ｔｏ ｄｅｖｅｌｏｐ ＵＳＢ ｄｒｉｖｅｒ ｉｎ Ｌｉｎｕｘ ｉｓ ｓｔｕｄｉｅｄ．Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆｄｒｉｖｅｒ ｆｏｒ ＵＳＢ ｄｅｖｉｃｅ。ｔｈｅ ｉｎｔｅｍａｌ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ａｎｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆｄｒｉｖｅｒ ｉｎ Ｌｉｎｕｘ ｆｏｒ ＵＳＢ ｄｅｖｉｃｅ ａｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅ ｓｅｍａｐｈｏｒｅ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｉＳ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｔｏ ｒｅａｌｉｚｅ ｔｈｅ ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ ｏｆｋｅｒｎｅｌ ｔｈｒｅａｄｓ． Ａｎｄ ｔｈｅ ｄｒｉｖｅｒ ｉｎ Ｌｉｎｕｘ ｆｏｒ ＵＳＢ ｄｅｖｉｃｅ ｗｉｔｈ ｉｎｔｅｒｒｕｐｔ ｅｎｄｐｏｉｎｔｓ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｂｏｔｈ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｐｒｏｇｒａｍ ａｎｄ ｃｏｍｐａｒａｂｌｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ｄｅ— ｍｏｎｓｔｒａｔｅｄ ｔｈｅ ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｄｒｉｖｅｒ．Ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｃｏｍｍｏｎ ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ ｉｎｐｕｔ ｓｕｂｓｙｓｔｅｍ ｗｉｔｈ ｒｅｇａｒｄｉｎｇ ｔｏ ｉｎｔｅｒｒｕｐｔ ｅｎｄｐｏｉｎｔｓ， ｔｈｅ ｗｈｏｌｅ ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｐｒｏｃｅｓｓ ｉｓ ｓｉｍｐｌｉｆｉｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＵＳＢ；ｄｅｖｉｃｅ ｄｒｉｖｅｒ；ｉｎｔｅｒｒｕｐｔ ｅｎｄｐｌｏｉｎｔｓ；Ｌｉｎｕｘ；ｓｅｍａｐｈｏｒｅ
Ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｏｆ ＵＳＢ ｄｅｖｉｃｅ ｄｒｉｖｅｒ ｗｉｔｈ ｉｎｔｅｒｒｕｐｔ ｅｎｄｐｏｉｎｔｓ ｉｎ Ｌｉｎｕｘ
ＪＩＮ Ｘｉｎ． ＳＵＮ Ｓｏｎｇ．１ｉｎ。ＪＩＮＧ Ｘｉａｏ－ｊｕｎ （Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｐｏｓｔｓ ａｎｄ Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １ ００８７６，Ｃｈｉｎａ）
读取输入参数一ｉｎｔｅｒｆａｃｅ接口数据指针 分配结构体变量ｄｅｖ
通过接口获取设备来初始化ｄｅｖ－＞ｕｄｅｖ
４在Ｌｉｎｕｘ下的手写板设备驱动的实现
上面是针对Ｌｉｎｕｘ２．６．２２．１４的内核源码里的ｓｋｅｌｅｔｏｎ．Ｃ
程序所做的分析，其设计框架和开发流程是很典型的“…。该 示例程序是针对批量端点进行数据传输的，在读设备时用一
３．２注册和注销ＵＳＢ驱动程序
一个ＵＳＢ驱动程序必须有结构体ｕｓｂ ｄｒｉｖｅｒ，以向ＵＳＢ核 心描述ＵＳＢ驱动程序，一般包括ｎａｍｅ、ｉｄ ｔａｂｌｅ、ｐｒｏｂｅ、ｄｉｓｃｏｎ－ ｎｅｅｔ这几个成员，分别告诉内核驱动程序名称、硬件匹配信息
列表和当一个匹配的硬件连接或移除时，应调用哪些函数。在
ＵＳＢ驱动程序被初始化时，调用ｕｓｂ
开函数里，接口数据被置空，通过调用ｕｓｂ＿＿＿ｄｅｒｅｇｉｓ ｔｅｒ ｄｅｖ 函数 硬件设备被注销。
３．４传输数据
当驱动程序有数据要发送到ＵＳＢ设备时或者要从ＵＳＢ
设备接收数据时，即实现ｒｅａｄ、ｗｒｉｔｅ函数，一般要分配并提交
一个ｕｒｂ（ＵＳＢ请求块）来实现与设备问的数据传输。在初始化
万方数据
１５７８
Ｏ引 言
Ｌｉｎｕｘ以其内核高效稳定、源码开放、文件管理机制完善 等优点，得到了广泛的应用。而ＵＳＢ接１２１以其低成本、速度 高、通用性强、支持即插即用等优点，越来越多的被采用。由 于Ｌｉｎｕｘ在硬件配置上尚不能全部支持ＵＳＢ设备，因此Ｌｉｎｕｘ 下如何驱动有ＵＳＢ接口的设备一直是该领域工程实现的热 点和难点。ＵＳＢ设备传输数据时所用端点主要有批量端点和 中断端点两大类，如打印机、大容苣存储设备属于批量端点， 其特点是传输批量的没有周期和传输速率要求的数据；而手 写板等设备属于中断端点，其特点是主机通过对设备的查询 来确定设备是否有数据需要传输Ⅲ。批量端点的设备驱动程 序设计比较简单，内核源码中的ｓｋｅｌｅｔｏｎ示例即为批量端点 的；而针对中断端点，内核源码主要提供鼠标和键盘设备的驱 动程序示例，它们都是采用输入子系统方式实现的，不够灵 活。如果结合批量端点的示例程序和中断端点的传输特点， 实现有中断端点的ＵＳＢ设备驱动，可以简化程序，提高效率， 并且有很强的实用价值和创新价值。但是在批量端点的驱动
ｕｓｂ ｄｒｉｖｅｒ
函数把．ｒｇｉｓｔｅｒ
注册到ＵＳＢ核心。在ＵＳＢ驱动程序将要被卸载时，调用ｕｓｂ
ｄｅｒｅｇｉｓｔｅｒ函数把ｕｓｂ＿ｄｒｉｖｅｒ从内核中注销，然后，与该驱动程 序绑定的所有ＵＳＢ接Ｕ被断开，并调用断开函数。
３．３探测和断开
当一个设备连上总线时，ｕｓｂ＿ｇｅｔ．＿ｄｅｖｉｃｅ＿ｄｅｓｃｒｉｐｔｏｒ函数自 动执行，取出设备的描述符树结构，用结构体ｕｓｂ ｄｅｖｉｃｅ保存
孙松林，男，副教授，研究方向为无线多媒体；
万方数据
金鑫，孙松林，景晓军：Ｌｉｎｕｘ下有中断端点的ＵＳＢ设备驱动的实现
２０１０，３１（７）
１５７７
用户
字符设备 块设备层 网络设备 ＴＴＹ设备 其它 内核
ＵＳＢ设备驱动程序 ＵＳＢ核心
ＵＳＢ主控制器
硬件
图１ ＵＳＢ驱动程序在内核中的位置
接口描述符和端点描述符。通过获取描述符，设备驱动程序 就可以知道具体设备的相关信息，从而对设备进行相应控制。 驱动程序会对ＵＳＢ设备的每一个接口进行一次探测，当探测 成功后，驱动程序就被绑定到这个接口上Ⅲ。如图２所示。
２０１０，３ １（７）
计算机工程与设计Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ｄｅｓｉｇｎ