Linux2.6環(huán)境下USB設(shè)備的驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)
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嵌入式linux系統(tǒng)環(huán)境以其易于移植裁減、內(nèi)核小、效率高、完整、原代碼開放及性能優(yōu)異等特點(diǎn)，在嵌入式領(lǐng)域得到了非常廣泛的應(yīng)用。Linux的USB設(shè)備端的源代碼中主要有USB device的海量存儲設(shè)備、串口設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序及各種USB device控制器芯片的驅(qū)動(dòng)程序。市場上USB設(shè)備控制器芯片種類繁多，大多數(shù)用戶需要針對特定應(yīng)用來開發(fā)相關(guān)的USB設(shè)備控制器驅(qū)動(dòng)程序，才能使設(shè)備正常工作在linux操作系統(tǒng)下。
1 USB設(shè)備端驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)
Linux Gadget子系統(tǒng)主要分為三層：第一層為芯片驅(qū)動(dòng)層，負(fù)責(zé)將各種USB device控制器抽象為統(tǒng)一的函數(shù)接口，以供上層驅(qū)動(dòng)程序調(diào)用；第二層主要是對操作函數(shù)的簡單封裝；第三層為設(shè)備驅(qū)動(dòng)層，可根據(jù)系統(tǒng)的需求實(shí)現(xiàn)所對應(yīng)的功能。圖1所示是Linux Gadget子系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)層次。Linux Gadget子系統(tǒng)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)層主要根據(jù)各個(gè)類別的規(guī)范及協(xié)議實(shí)現(xiàn)各種設(shè)備的驅(qū)動(dòng)，本設(shè)計(jì)需要使一個(gè)嵌入式設(shè)備擁有移動(dòng)硬盤的功能，所以，可以根據(jù)海量存儲類的規(guī)范及協(xié)議來實(shí)現(xiàn)該功能。
1.1 UDC驅(qū)動(dòng)的基本構(gòu)架
圖2所示是UDC驅(qū)動(dòng)的基本構(gòu)架圖。在控制器驅(qū)動(dòng)程序中，首先應(yīng)注冊platform驅(qū)動(dòng)，調(diào)用其probe函數(shù)搜索設(shè)備，并在probe函數(shù)內(nèi)初始化usb_ep和usb_gadget等結(jié)構(gòu)，然后注冊設(shè)備，并申請中斷，接著等待中斷進(jìn)入中斷服務(wù)子程序，最后聲明和實(shí)現(xiàn)usb_gadget_register_driver注冊函數(shù)并輸出給上層驅(qū)動(dòng)。在該過程中，聯(lián)系它們的紐帶是一些全局結(jié)構(gòu)體變量。
1.2 Gadget API
Gadget API為Gadget系統(tǒng)定義了統(tǒng)一的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和接口函數(shù)，它和主機(jī)端的USB Core地位類似，但功能僅限于提供編程接口，如用結(jié)構(gòu)體usb_gadget_ops和usb_ep_ops對設(shè)備控制器驅(qū)動(dòng)操作函數(shù)和端點(diǎn)操作函數(shù)進(jìn)行重新封裝。比較特殊的是Gadget驅(qū)動(dòng)程序注冊函數(shù)usb_gadget_register_driver，它們是由設(shè)備控制器(UDC)驅(qū)動(dòng)直接提供的，用于將UDC綁定到gadget driver。這增加了Gadget Driver和UDC之間的依賴性。
在設(shè)備端，Gadget系統(tǒng)雖然類似主機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)分了三層結(jié)構(gòu)，但Gadget API只定義了一些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、宏和功能函數(shù)，并對UDC驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行了簡單包裝，而沒有驅(qū)動(dòng)管理等功能。
1.3設(shè)備應(yīng)用驅(qū)動(dòng)程序
設(shè)備端應(yīng)用程序(Gadget Driver)用于控制USB設(shè)備功能的實(shí)現(xiàn)，使設(shè)備表現(xiàn)出“網(wǎng)絡(luò)連接”、“打印機(jī)”或“大容量存儲設(shè)備”等特性。本文以大容量移動(dòng)存儲設(shè)備為例來實(shí)現(xiàn)移動(dòng)硬盤的功能。
BULK ONLY傳輸指的是主機(jī)和大容量存儲設(shè)備之間的一種數(shù)據(jù)傳輸方式。
2設(shè)備端驅(qū)動(dòng)調(diào)度
在嵌入式Linux操作系統(tǒng)中，Gadget driver和Gadget API可完成部分USB協(xié)議處理、BULK ONLY等傳輸協(xié)議以及指令的解析處理，用戶只需要在設(shè)備控制器驅(qū)動(dòng)程序中完成部分USB協(xié)議處理和Gadget API的銜接工作。
圖3所示的流程圖給出了USB設(shè)備端驅(qū)動(dòng)程序的基本調(diào)度思想。該方案的主要思路是被動(dòng)的接受主機(jī)端的傳輸命令(任何類型的通信都由USB主機(jī)發(fā)起，USB設(shè)備間不能直接通信)，然后通過中斷觸發(fā)的方式完成主機(jī)端的數(shù)據(jù)傳輸。當(dāng)產(chǎn)生設(shè)備端中斷時(shí)，設(shè)備控制器驅(qū)動(dòng)程序首先判斷中斷類型。當(dāng)其為批量傳輸端點(diǎn)IN中斷時(shí)，驅(qū)動(dòng)程序會將該EP下鏈接的REQ中的數(shù)據(jù)依次寫入U(xiǎn)SB2.0 OTG IP的設(shè)備控制器的內(nèi)存區(qū)；當(dāng)其為批量傳輸OUT中斷時(shí)，驅(qū)動(dòng)程序會將設(shè)備控制器內(nèi)存區(qū)的數(shù)據(jù)讀入REQ中的buffer中；當(dāng)其為端點(diǎn)0的控制傳輸中斷時(shí)，驅(qū)動(dòng)程序?qū)⒆x取端點(diǎn)緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)，并解析當(dāng)前的設(shè)備請求。如果主機(jī)傳輸給設(shè)備的設(shè)備請求為USB REO SEDRESS(設(shè)置設(shè)備地址)、USB_REQ_GET_STATUS(獲取設(shè)備狀態(tài))、USB_REQ_SET_FEATURE(設(shè)置設(shè)備特性)，設(shè)備控制器驅(qū)動(dòng)程序會自行響應(yīng)請求。但是，如果是其它設(shè)備請求，如GET_DESCRIPTOR(獲取設(shè)備描述符)時(shí)，設(shè)備控制器驅(qū)動(dòng)便會將該請求提交給Gadget Driver，然后由Gadget Driver排隊(duì)將該設(shè)備請求提交給端點(diǎn)，以等待下次控制端點(diǎn)中斷。
控制傳輸比較復(fù)雜，它需要完成建立階段、數(shù)據(jù)傳輸階段和狀態(tài)階段。整個(gè)控制端點(diǎn)中斷的處理可通過四個(gè)狀態(tài)實(shí)現(xiàn)，分別是：端點(diǎn)0空閑(EP0_IDLE)、 數(shù)據(jù)IN傳輸(EP0 IN DATA_PHASE)、數(shù)據(jù)OUT傳輸(EP0 OUT DATA_PHASE)和狀態(tài)階段(EPO_STATUS)。
EP0_IDLE狀態(tài)主要處理建立階段的setup令牌，并根據(jù)獲得的設(shè)備請求處理能夠處理的設(shè)備請求，同時(shí)把不能處理的設(shè)備請求(如獲取設(shè)備描述符，配置描述符等)提交給上層Gadget Driver；EP0_OUT_DATA_PHASE狀態(tài)主要處理數(shù)據(jù)階段的OUT傳輸；EP0_OUT_DATA_PHASE狀態(tài)主要處理數(shù)據(jù)階段的IN傳輸；EP0_STATUS狀態(tài)則主要完成控制傳輸過程中的狀態(tài)階段。
在圖3所示的流程圖中，EP0為控制傳輸端點(diǎn)，EP1、EP2、EP3為批量傳輸端點(diǎn)，它們主要包括端點(diǎn)傳輸類型、端點(diǎn)緩沖區(qū)大小等信息。REQ為Gadget Driver提交的端點(diǎn)請求，主要包含傳輸?shù)臄?shù)據(jù)長度和地址。
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