Linux下的硬件驱动——USB设备（下）（驱动开发部分）

赵明([email protected])
联想软件设计中心嵌入式研发处系统设计工程师
2003年7月
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= 0ms
E: 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= 2
B: Alloc= 11/900 us ( 1%), #Int= 1, #Iso= 0
D: Ver= 1.00 Cls=09(hub ) Sub=00 Prot=00 MxPS= 8 #Cfgs= 1
P: Vendor=0000 ProdID=0000 Rev= 0.00
S: Product=USB UHCI Root Hub
S: SerialNumber=d800
C:* #Ifs= 1 Cfg#= 1 Atr=40 MxPwr= 0mA
I: If#= 0 Alt= 0 #EPs= 1 Cls=09(hub ) Sub=00 Prot=00 Driver=hub
E: Ad=81(I) Atr=03(Int.) MxPS= 8 Ivl=255ms
T: Bus=02 Lev=01 Prnt=01 Port=01 Cnt=01 Dev#= 3 Spd=12 MxCh= 3
D: Ver= 1.10 Cls=09(hub ) Sub=00 Prot=00 MxPS= 8 #Cfgs= 1
P: Vendor=07e4 ProdID=9473 Rev= 0.02
S: Manufacturer=ALCOR
S: Product=Movado USB Keyboard
C:* #Ifs= 1 Cfg#= 1 Atr=e0 MxPwr=100mA
I: If#= 0 Alt= 0 #EPs= 1 Cls=09(hub ) Sub=00 Prot=00 Driver=hub
E: 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

#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..c

static 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);