基于Linux的USB設(shè)備

引言
通用串行總線(USB)是一種快速而靈活地連接配件與計(jì)算機(jī)工作站的接口，其應(yīng)用非常廣泛。Linux中除了包含對USB主機(jī)控制器的驅(qū)動(dòng)，還含有USB設(shè)備控制器，尤其是集成在StrongARM SA1110處理器上的控制器的驅(qū)動(dòng)。這些控制器驅(qū)動(dòng)通過使用USB可使基于Linux的嵌入式系統(tǒng)與主機(jī) (運(yùn)行的可以是Linux，或不是)進(jìn)行通信。這里提供三種方法給運(yùn)行Linux操作系統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)增加USB支持，可采用其中一種與USB主機(jī)展開通信。
第一種，最復(fù)雜的設(shè)備采用專門編寫的內(nèi)核模塊解析標(biāo)準(zhǔn)USB總線上通行的錯(cuò)綜復(fù)雜的高層協(xié)議；相應(yīng)的USB主機(jī)定制驅(qū)動(dòng)和應(yīng)用程序來完成連接。第二種，有些基于Linux的設(shè)備把總線當(dāng)作一種簡單的運(yùn)行在主機(jī)上的點(diǎn)對點(diǎn)串行連接使用；主機(jī)應(yīng)用程序采用主機(jī)操作系統(tǒng)提供的USB編程界面，而其外在表現(xiàn)則仿佛是在通過一種典型的串行端口進(jìn)行通信。第三種，另有一些設(shè)備把USB看作一種以太網(wǎng)絡(luò)，它們用主機(jī)作網(wǎng)關(guān)，把USB設(shè)備與辦公LAN或Internet相連接。通常的做法是使用專門的主機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)它。
最佳方案的選擇取決于研發(fā)所需時(shí)間，以及針對具體嵌入式應(yīng)用，要把USB接口作成什么樣。以下對這三種方法如何在基于Linux的USB設(shè)備上的應(yīng)用逐一進(jìn)行描述。本文是關(guān)于如何在基于Linux的照相機(jī)和PDA之類的USB設(shè)備上使用Linux的論述,在此，USB是指由方形連接器而非扁平矩形連接器構(gòu)成的USB設(shè)備。

內(nèi)核模塊
把USB加到基于Linux的設(shè)備上的第一種方法是編寫一個(gè)定制的Linux內(nèi)核模塊。這種方法通常要求相應(yīng)開發(fā)主機(jī)操作系統(tǒng)(Windows、Linux以及其它OS)的驅(qū)動(dòng)。
借助定制內(nèi)核模塊在設(shè)備中的安裝，可以進(jìn)行文件系統(tǒng)仿真等，使嵌入式應(yīng)用將其USB主機(jī)當(dāng)作遠(yuǎn)程存儲設(shè)備對待。這一方法的另一潛在用途是構(gòu)成一種存儲轉(zhuǎn)發(fā)字符設(shè)備，從嵌入式應(yīng)用程序中緩沖數(shù)據(jù)流，直到USB主機(jī)連接完成建立為止。
對于基于StrongARM的Linux設(shè)備，其USB應(yīng)用內(nèi)核模塊調(diào)用sa1100_usb_open()，對管理芯片的板上USB設(shè)備控制器外設(shè)的內(nèi)核代碼進(jìn)行初始化。然后該模塊調(diào)用sa1100_usb_get_descriptor_ptr()和sa1100_usb_set_string_descriptor()，通過枚舉過程對USB主機(jī)的給定USB描述符進(jìn)行設(shè)置。這些描述符包括設(shè)備供貨商及產(chǎn)品的數(shù)字標(biāo)識符、正文字符串等主機(jī)可用來對設(shè)備進(jìn)行識別的信息。甚至有一個(gè)序列號域，以便主機(jī)唯一地識別設(shè)備或?qū)SB上相同設(shè)備的多個(gè)實(shí)例加以區(qū)分。
內(nèi)核模塊必須在開始USB通信前完成USB描述符的建立，這是因?yàn)槊杜e過程由USB設(shè)備控制器驅(qū)動(dòng)，一旦USB主機(jī)連上后會自動(dòng)執(zhí)行。一切準(zhǔn)備就緒后，USB設(shè)備模塊便調(diào)用sa1100_usb_start()，告訴內(nèi)核接受來自主機(jī)的USB連接請求。如果模塊在USB主機(jī)連上前調(diào)用sa1100_set_configured_ callback()，那么內(nèi)核將會在枚舉過程結(jié)束時(shí)調(diào)用所提供的回調(diào)函數(shù)。回調(diào)函數(shù)能很好地對設(shè)備完成連接狀態(tài)進(jìn)行可視化指示。
如果USB通信不再需要，那么設(shè)備的內(nèi)核模塊便調(diào)用sa1100_usb_stop()，然后是 sa1100_usb_close()，關(guān)閉SA1100的USB控制器。
StrongARM USB控制器支持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸作業(yè)的bulk-in 和bulk-out。在從USB主機(jī)接收數(shù)據(jù)包時(shí)，內(nèi)核模塊調(diào)用sa1100_usb_recv()，把數(shù)據(jù)緩沖區(qū)和回調(diào)函數(shù)地址傳遞給它。然后內(nèi)核的底層USB設(shè)備控制代碼對來自主機(jī)的bulk-out包進(jìn)行檢索，把內(nèi)容放于緩沖區(qū)中，并調(diào)用回調(diào)函數(shù)。
回調(diào)函數(shù)必須從接收緩沖區(qū)提取數(shù)據(jù)并保存于其它位置或者把緩沖區(qū)空間加到一個(gè)隊(duì)列中，為下一個(gè)數(shù)據(jù)包的接收分配新的緩沖區(qū)。而后回調(diào)函數(shù)二次調(diào)用sa1100_usb_recv()，在需要時(shí)進(jìn)行下一個(gè)數(shù)據(jù)包的接收。過程與對USB主機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸相類似。在聚集起一幀的數(shù)據(jù)量后，內(nèi)核模塊將數(shù)據(jù)的地址、長度和回調(diào)地址傳遞給sa1100_usb_send()。傳輸完成時(shí)，內(nèi)核調(diào)用回調(diào)函數(shù)。
主機(jī)
主機(jī)端USB驅(qū)動(dòng)的幾個(gè)例子在主流的Linux版本以及Linux內(nèi)核檔案組織分配的原始內(nèi)核源中都有提供。用于Handspring Visor(drivers/usb/serial/visor.c)的模塊是編寫較為簡潔易懂的模塊之一，作為USB主機(jī)端模塊的模板(drivers/usb/usb-skeleton.c)使用。

高速串行
對于大多數(shù)實(shí)際應(yīng)用來說， 可以把USB總線當(dāng)作一種高速串行端口考慮。如此在某些類型的嵌入式設(shè)備和應(yīng)用中對它進(jìn)行原型模擬是有意義的。StrongARM處理器的Linux內(nèi)核提供現(xiàn)成的USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)專工于此，稱作usb-char。
在希望與USB主機(jī)通信時(shí)，Linux USB設(shè)備應(yīng)用程序只是打開對其usb-char設(shè)備節(jié)點(diǎn)(字符型，最大10，最小240)的連接，然后開始讀寫數(shù)據(jù)即可。read()和 write()操作將一直返回錯(cuò)誤值直到USB主機(jī)連上為止。一旦連接建立和枚舉完成，便開始通信，就像USB是一種點(diǎn)對點(diǎn)串行端口一樣。
由于這種USB數(shù)據(jù)傳遞方法十分直接且實(shí)用，因此usb-char設(shè)備得到高效使用。它還為其它USB通信方法的實(shí)現(xiàn)提供了重要的參照基準(zhǔn)。
usb-char的實(shí)際動(dòng)作從usbc_open()功能開始，部分內(nèi)容示于列表1中。
列表1：打開USB上的串行連接
static int usbc_open(struct inode *pInode, struct file *pFile)
{
int retval = 0;
/* start usb core */
sa1100_usb_open(_sb-char?;
/* allocate memory for in-transit USB packets */
tx_buf = (char*) kmalloc(TX_PACKET_SIZE, GFP_KERNEL | GFP_DMA);
packet_buffer = (char*) kmalloc(RX_PACKET_SIZE, GFP_KERNEL | GFP_DMA);
/* allocate memory for the receive buffer; the contents of this
buffer are provided during read() */
rx_ring.buf = (char*) kmalloc(RBUF_SIZE, GFP_KERNEL);
/* set up USB descriptors */
twiddle_descriptors();
/* enable USB i/o */
sa1100_usb_start();
/* set up to receive a packet */
kick_start_rx();
return 0;
twiddle_descriptors()功能建立起設(shè)備的USB描述符。在描述符全部建起后，準(zhǔn)備從USB主機(jī)枚舉并接收一個(gè)數(shù)據(jù)幀。kick_start_rx()所需的代碼大多數(shù)情況下只是一種對sa1100_usb_recv() 的調(diào)用以建立回調(diào)而已。當(dāng)USB主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)包時(shí)，設(shè)備的內(nèi)核通過回調(diào)調(diào)用rx_done_callback_packet_buffer()函數(shù)，把數(shù)據(jù)包的內(nèi)容移入usb-char 設(shè)備點(diǎn)上由read()返回的FIFO隊(duì)列。
主機(jī)
對于運(yùn)行Linux的USB主機(jī)，usb-char相應(yīng)的USB主機(jī)模塊稱為usbserial模塊。大多數(shù)Linux版本都包括Usbserial模塊，盡管通常不是自動(dòng)裝入。在USB與設(shè)備的連接建立之前，usbserial 由modprobe 或 insmod載入。
一旦USB設(shè)備開始枚舉，主機(jī)上的應(yīng)用程序便用usbserial設(shè)備點(diǎn)(字符型，最大188，最小0以上)之一與設(shè)備進(jìn)行通信。這些節(jié)點(diǎn)通常命名為/dev/ttyUSBn。Usbserial模塊在內(nèi)核報(bào)文日志記錄中報(bào)告它把哪個(gè)節(jié)點(diǎn)指定給USB設(shè)備使用：
usbserial.c: 通用轉(zhuǎn)換器刪除
usbserial.c: 通用轉(zhuǎn)換器當(dāng)前連到ttyUSB0上。連接建立后，USB主機(jī)上的應(yīng)用程序便通過讀寫指定的節(jié)點(diǎn)與USB設(shè)備進(jìn)行通信。
Linux主機(jī)上usbserial模塊的一種替代選擇是一種稱作libusb(libusb.sourceforge.net)的庫。這種庫使用低層內(nèi)核系統(tǒng)調(diào)用進(jìn)行USB數(shù)據(jù)傳輸，而不是通過usbserial模塊，在某種程度上跨Linux內(nèi)核版本建立和使用時(shí)更方便。Libusb庫還提供大量有用的調(diào)試功能，這一點(diǎn)在對運(yùn)行在USB鏈路上的復(fù)雜通信協(xié)議進(jìn)行除錯(cuò)時(shí)有幫助。用libusb與采用usb-char的USB設(shè)備進(jìn)行通信時(shí)，Linux主機(jī)應(yīng)用程序使用usb_open()函數(shù)建立與該設(shè)備的連接。然后應(yīng)用程序使用usb_bulk_read()和usb_bulk_write()與設(shè)備交換數(shù)據(jù)。

USB上的以太網(wǎng)
另一種選擇是把USB作為一種以太網(wǎng)絡(luò)來對待。Linux具有在主機(jī)和設(shè)備端均可實(shí)現(xiàn)這種功能的模塊。由于iPAQ硬件既沒有可接入的串行端口也沒有一種專用的網(wǎng)絡(luò)接口，因此，iPAQ 的Linux內(nèi)核專門采用這種通信策略，在StrongARM的Linux內(nèi)核中，usb-eth模塊(arch/arm/mach-sa1100/usb-eth.c)對用USB作物理媒介的虛構(gòu)以太網(wǎng)設(shè)備進(jìn)行仿真。一旦創(chuàng)建后，這一網(wǎng)絡(luò)界面便被指定一個(gè)IP地址，否則作為通常的以太網(wǎng)硬件對待。一旦USB主機(jī)連上后，usb-eth模塊便能使USB設(shè)備“看到” Internet(如果存在Internet的話)，ping測其它IP地址，甚至“談?wù)摗盌HCP, HTTP, NFS, telnet, 和e-mail。簡言之，任何在實(shí)際的以太網(wǎng)界面上運(yùn)行的應(yīng)用將不折不扣地在usb-eth接口上得到實(shí)現(xiàn)，因?yàn)樗鼈儾荒芊直娉銎湔谑褂玫牟皇菍?shí)在的以太網(wǎng)硬件。
主機(jī)
在Linux主機(jī)上，相應(yīng)的Ethernet-over-USB內(nèi)核模塊稱為usbnet。當(dāng)usbnet模塊得到安裝且設(shè)備的USB連接建立完成時(shí)，usbnet模塊便針對主機(jī)端內(nèi)核及用戶應(yīng)用創(chuàng)建一個(gè)與實(shí)際硬件酷似的虛構(gòu)以太網(wǎng)界面，主機(jī)端應(yīng)用程序通過運(yùn)行設(shè)備IP地址ping測，可以檢查USB設(shè)備的存在。如果ping測成功，設(shè)備便加上了。

結(jié)語
Linux不再只是USB主機(jī)使用，當(dāng)今它也是USB設(shè)備的合適選擇，Linux 下的USB通信是非常靈活和易用的。(鋤禾譯)

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