Linux USB驅動框架分析
初次接觸與OS相關的設備驅動編寫，感覺還挺有意思的，為了不至于忘掉看過的東西，筆記跟總結當然不可缺，更何況我決定為嵌入式賣命了。好，言歸正傳，我說一說這段時間的收獲，跟大家分享一下Linux的驅動開發。但這次只先針對Linux的USB子系統作分析，因為周五研討老板催貨。當然，還會順帶提一下其他的驅動程序寫法。
事實上，Linux的設備驅動都遵循一個慣例——表征驅動程序(用driver更貼切一些，應該稱為驅動器比較好吧)的結構體，結構體里面應該包含了驅動程序所需要的所有資源。用OO的術語來說，就是這個驅動器對象所擁有的屬性及成員。由于Linux的內核用c來編寫，所以我們也按照這種結構化的思想來分析代碼，但我還是希望從OO的角度來闡述這些細節。這個結構體的名字有驅動開發人員決定，比如說，鼠標可能有一個叫做mouse_dev的struct，鍵盤可能由一個keyboard_dev的struct(dev for device，我們做的只是設備驅動)。而這次我們來分析一下Linux內核源碼中的一個usb-skeleton(就是usb驅動的骨架咯)，自然，他定義的設備結構體就叫做usb-skel：
struct usb_skel {
struct usb_device * udev; /* the usb device for this device */
struct usb_interface * interface; /* the interface for this device */
struct semaphore limit_sem; /* limiting the number of writes in progress */
unsigned char * bulk_in_buffer; /* the buffer to receive data */
size_t bulk_in_size; /* the size of the receive buffer */
__u8 bulk_in_endpointAddr; /* the address of the bulk in endpoint */
__u8 bulk_out_endpointAddr; /* the address of the bulk out endpoint */
struct kref kref;
};
這里我們得補充說明一下一些USB的協議規范細節。USB能夠自動監測設備，并調用相應得驅動程序處理設備，所以其規范實際上是相當復雜的，幸好，我們不必理會大部分細節問題，因為Linux已經提供相應的解決方案。就我現在的理解來說，USB 的驅動分為兩塊，一塊是USB的bus驅動，這個東西，Linux內核已經做好了，我們可以不管，但我們至少要了解他的功能。形象得說，USB的bus驅動相當于鋪出一條路來，讓所有的信息都可以通過這條USB通道到達該到的地方，這部分工作由usb_core來完成。當設備接到USB接口是，usb_core就檢測該設備的一些信息，例如生產廠商ID和產品的ID，或者是設備所屬的class、subclass跟protocol，以便確定應該調用哪一個驅動處理該設備。里面復雜細節我們不用管，我們要做的是另一塊工作——usb的設備驅動。也就是說，我們就等著usb_core告訴我們要工作了，我們才工作。對于usb規范定義的設備，他們有一個設備的框架，對于開發人員來說，他大概如圖所示：
從開發人員的角度看，每一個usb設備有若干個配置(configuration)組成，每個配置又可以有多個接口(interface)，每個接口又有多個設置(setting圖中沒有給出)，而接口本身可能沒有端點或者多個端點(end point)。USB的數據交換通過端點來進行，主機與各個端點之間建立起單向的管道來傳輸數據。而這些接口可以分為四類：
控制(control)
用于配置設備、獲取設備信息、發送命令或者獲取設備的狀態報告
中斷(interrupt)
當USB宿主要求設備傳輸數據時，中斷端點會以一個固定的速率傳送少量數據，還用于發送數據到USB設備以控制設備，一般不用于傳送大量數據。
批量(bulk)
用于大量數據的可靠傳輸，如果總線上的空間不足以發送整個批量包，它會被分割成多個包傳輸。
#p#等時(isochronous)
大量數據的不可靠傳輸，不保證數據的到達，但保證恒定的數據流，多用于數據采集。
Linux中用struct usb_host_endpoint來描述USB端點，每個usb_host_endpoint中包含一個struct usb_endpoint_descriptor結構體，當中包含該端點的信息以及設備自定義的各種信息，這些信息包括：
bEndpointAddress(b for byte)
8位端點地址，其地址還隱藏了端點方向的信息(之前說過，端點是單向的)，可以用掩碼USB_DIR_OUT和USB_DIR_IN來確定。
bmAttributes
端點的類型，結合USB_ENDPOINT_XFERTYPE_MASK可以確定端點是USB_ENDPOINT_XFER_ISOC(等時)、USB_ENDPOINT_XFER_BULK(批量)還是USB_ENDPOINT_XFER_INT(中斷)。
wMaxPacketSize
端點一次處理的最大字節數。發送的BULK包可以大于這個數值，但會被分割傳送。
bInterval
如果端點是中斷類型，該值是端點的間隔設置，以毫秒為單位。
在邏輯上，一個USB設備的功能劃分是通過接口來完成的。比如說一個USB揚聲器，可能會包括有兩個接口：一個用于鍵盤控制，另外一個用于音頻流傳輸。而事實上，這種設備需要用到不同的兩個驅動程序來操作，一個控制鍵盤，一個控制音頻流。但也有例外，比如藍牙設備，要求有兩個接口，第一用于ACL跟 EVENT的傳輸，另外一個用于SCO鏈路，但兩者通過一個驅動控制。在Linux上，接口使用struct usb_interface來描述，以下是該結構體中比較重要的字段：
struct usb_host_interface *altsetting(注意不是usb_interface)
其實據我理解，他應該是每個接口的設置，雖然名字上有點奇怪。該字段是一個設置的數組(一個接口可以有多個設置)，每個usb_host_interface都包含一套由struct usb_host_endpoint定義的端點配置。但這些配置次序是不定的。
unsigned num_altstting
可選設置的數量，即altsetting所指數組的元素個數。
struct usb_host_interface *cur_altsetting
當前活動的設置，指向altsetting數組中的一個。
int minor
當捆綁到該接口的USB驅動程序使用USB主設備號時，USB core分配的次設備號。僅在成功調用usb_register_dev之后才有效。
除了它可以用struct usb_host_config來描述之外，到現在為止，我對配置的了解不多。而整個USB設備則可以用struct usb_device來描述，但基本上只會用它來初始化函數的接口，真正用到的應該是我們之前所提到的自定義的一個結構體。
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