USB(Universal Serial Bus)即通用串行總線，是一種全新的雙向同步傳輸的支持熱插拔的數據傳輸總線，其目的是為了提供一種兼容不同速度的、可擴充的并且使用方便的外圍設備接口，同時也是為了解決計算機接口的太多的弊端而設計的。一個USB系統主要有三部分組成：USB互連、USB主機、USB設備三部分組成的，其結構如圖1 所示。在編寫USB設備驅動程序設計時，可以分為三部分編寫：主機端設備驅動程序、主機控制器驅動程序設計和設備端驅動程序三部分，在本文中重點介紹主機端驅動程序的設計。

    二、USB設備驅動程序的設計

    USB設備驅動程序的設計包括主機端設備驅動程序設計、主機控制器驅動程序設計和設備端驅動程序設計三部分組成。主機端設備驅動程序就是通常說的設備驅動程序，它是主機環境中為用戶應用程序提供一個訪問USB外設的接口。Linux為這部分驅動程序提供編程接口，驅動程序設計者只要按照需求編寫驅動程序框架，通過調用操作系統提供的API接口函數可以完成對USB外設的特定訪問。

    主機控制驅動主要是對USB主機控制器的驅動，在大多數PC環境下，主機控制器都是由操作系統提供。嵌入式設備一般都沒有USB主機控制器，只是工作在 Slave模式下。如果要使USB具有主機功能，那么設備中需要選用一個帶主機控制器的USB接口控制芯片，同時自己還要有實現該主機控制器的驅動程序。目前Linux內核中只提供USB主機控制器的開放主機控制器和通用主機控制器接口兩種規格，而這兩種規格主要用在PC架構中。USB主機端驅動程序與主機控制器的結構如圖2所示。其中USB核是Linux的一個子模塊，集中定義了一組USB相關的數據結構、宏以及API函數。

    USB設備驅動程序是常說的設備固件程序的一部分，提供設備信息與主機的通信接口。設備端USB驅動程序設計由以下幾部分處理程序組成。初始化例程：完成描述符指針、端點、配置改變等操作。數據傳輸例程：完成控制傳輸、批量傳輸、中斷傳輸及同步傳輸等傳輸方式下的數據收發工作。標準設備處理請求：處理標準設備請求。廠商請求處理：處理生產商指定請求。其他操作：處理主機發出的端口復位、配置改變等操作。

   1.USB設備驅動程序框架

    USB驅動程序首先要向Linux內核注冊自己，并告訴系統它所支持的設備類型以及它所支持的操作。這些信息通過一個usb_driver結構來傳遞。usb_driver結構如下：

    static struct usb_driver skel_driver = {

    name: "skeleton"；/*驅動程序的名稱*/

    probe: skel_probe； /*設備列舉時被調用*/

    disconnect: skel_disconnect； /*設備被卸載時被調用*/

    fops: &skel_fops； /*指向一個file_operation結構，內核通過它來訪問驅動程序的文件操作函數，與用戶程序的read、write等操作進行交互*/

    minor USB_SKEL_MINOR_BASE； /*指向設備的次設備號，用于系統識別主設備號相同的設備（即一個驅動程序可以同時支持多個USB設備*/

    id_table: skel_table； /*保存設備的廠商ID和產品ID，作為該設備的唯一標識，驅動程序向系統注冊后，當下次插入時，系統根據這個標識查找正確的驅動程序，實現設備的即插即用*/

    };

    static struct file_operation skel_fops={

    {

    owner:THIS_MODULE,

    read:skel_read,

    write:skel_write,

    ioctl:skel_ioctl,

    open:skel_open,

    release:skel_release,

    };

    （1）注冊和注銷

    USB驅動程序注冊，就是把在初始化函數中填好的use_driver結構作為參數傳遞給
   
    use_register()函數即可，函數的調用方法為：

    result=usb_register(&skel_driver);

    當要從系統卸載驅動程序時，也是將use_driver結構作為參數傳遞給usb_deregister 函數處理。 函數的調用格式為：

    static void __exit usb_skel_exit(void)

    { /* deregister this driver with the USB subsystem */

    usb_deregister(&skel_driver);

    }

    module_exit(usb_skel_exit);

    當USB設備插入時，為了使linux-hotplug（Linux中PCI、USB等設備熱插拔支持）系統自動裝載驅動程序，需要創建一個MODULE_DEVICE_TABLE。核心代碼如下（這個模塊僅支持某一特定設備）：

    /* 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宏利用廠商ID和產品ID提供了一個設備的唯一標識。當系統插入一個ID匹配的USB設備到USB總線時，驅動會在USB core中注冊，驅動程序中probe 函數也就會被調用。usb_device 結構指針、接口號和接口ID都會被傳遞到函數中。

    （2）probe()函數

    probe()函數的編寫格式為：static void * skel_probe(struct usb_device *dev, unsigned int ifnum, const struct usb_device_id *id)；驅動程序需要確認插入的設備是否可以被接受，如果不接受，或者在初始化的過程中發生任何錯誤，probe()函數返回一個NULL值。否則返回一個含有設備驅動程序狀態的指針，通過這個指針，就可以訪問所有結構中的回調函數。

    在驅動程序里，最后一點是要注冊devfs（設備文件系統）。首先創建一個緩沖用來保存那些被發送給USB設備的數據和那些從設備上接受的數據，并為設備傳輸創建一個USB請求塊（URB）以向設備寫入數據，同時USB urb 被初始化，然后在devfs子系統中注冊設備，允許devfs用戶訪問USB的設備。注冊過程如下：

    /* 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函數失敗， devfs子系統會將此情況報告給用戶。如果設備從USB總線拔掉，設備指針會調用disconnect 函數。驅動程序就需要清除那些被分配了的所有私有數據、關閉urbs，并且從devfs上注銷調自己。調用函數的格式為：

    /* remove our devfs node */

    devfs_unregister(skel->devfs);

    現在，skeleton驅動就已經和設備綁定上了，任何用戶態程序要操作此設備都可以通過file_operations結構所定義的函數進行了。

    （3）open()、write()和read()函數

    首先，要打開此設備。在open()函數中MODULE_INC_USE_COUNT 宏是一個關鍵，它起到一個計數的作用，有一個用戶態程序打開一個設備，計數器就加1。例如，以模塊方式加入一個驅動，若計數器不為零，就說明仍然有用戶程序在使用此驅動，這時候，就不能通過rmmod命令卸載驅動模塊了。

    /* 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;

    當open完設備后，read()、write()函數就可以收、發數據了。

    read()函數首先從open()函數中保存的fi。

    Write()函數和read()函數是完成驅動對讀寫等操作的響應。在skel_write中，一個FILL_BULK_URB函數，就完成了urb 系統callbak和的skel_write_bulk_callback之間的聯系。注意skel_write_bulkcallback是中斷方式，所以要注意時間不能太久，本程序中它就只是報告一些urb的狀態等。 read 函數與write 函數稍有不同在于：程序并沒有用urb 將數據從設備傳送到驅動程序，而是用usb_bulk_msg 函數代替，這個函數能夠不需要創建urbs 和操作urb函數的情況下，來發送數據給設備，或者從設備來接收數據。調用usb_bulk_msg函數并傳到一個存儲空間，用來緩沖和放置驅動收到的數據，若沒有收到數據表示失敗并返回一個錯誤信息。

    usb_bulk_msg函數：當對usb設備進行一次讀或者寫時，usb_bulk_msg 函數是非常有用的; 然而, 當需要連續地對設備進行讀/寫時，應建立一個自己的urbs，同時將urbs 提交給USB子系統。

    skel_disconnect函數：當釋放設備文件句柄時，這個函數會被調用。
    MOD_DEC_USE_COUNT宏也會被調用到（和MOD_INC_USE_COUNT剛好對應，它減少一個計數器），首先確認當前是否有其他的程序正在訪問這個設備，如果是最后一個用戶在使用，可以關閉任何正在發生的寫，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;

    USB設備可以在任何時間點從系統中取走，即使程序目前正在訪問它。USB驅動程序必須要能夠很好地處理解決此問題，它需要能夠切斷任何當前的讀寫，同時通知用戶空間程序：USB設備已經被取走。

   2.設計實例

    下面通過介紹鍵盤飛梭驅動程序的實例來讓讀者更好的理解USB驅動程序的工作原理，實現代碼如下：

    /*需要的頭文件*/

    #include <linux/kernel.h>

    #include <linux/slab.h>            

    #include <linux/module.h>

    #include <linux/input.h>

    #include <linux/init.h>

    #include <linux/usb.h>

    #include <linux/kbd_ll.h>

    /* 驅動程序版本信息*/

    #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

    /*廠商和產品ID信息就是/proc/bus/usb/devices中看到的值，通過cat/proc/bus/usb/devices得到當前系統探測到的USB總線上的設備信息。它包括Vendor、ProdID、Product等*/

    MODULE_AUTHOR( DRIVER_AUTHOR );

    MODULE_DESCRIPTION( DRIVER_DESC );

    /*此結構來自內核中drivers/usb/usbkbd.c*/

    struct usb_kbd {

    struct input_dev dev;

    struct usb_device *usbdev;

    unsigned char new[8];

    unsigned char old[8];

    struct urb irq, led;

    struct usb_ctrlrequest dr;

    unsigned char leds, newleds;

    char name[128];

    int open;

    };

    static void usb_kbd_irq(struct urb *urb) /*urb為USB請求塊*/

    {

    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);

    三、結語

    USB規范是一門比較新的技術，接口使用方便，但是驅動程序的設計較復雜。上面介紹了USB設備驅動程序的設計，主要分析了主機端驅動程序的設計，并且給出了一個編寫USB驅動程序的實例。

    參考文獻

    1．劉崢嶸.嵌入式Linux應用開發詳界解.機械工業出版社，2004

    2．周立功.ARM嵌入式Linux系統構件與驅動開發范例.北京航天航空大學出版社，2006

    3．劉淼.嵌入式系統接口設計與Linux驅動程序開發.北京航天航空大學出版社，2006