毕业论文基于Linux系统下USB鼠标驱动开发

1、 毕毕 业业 设设 计计( 论论 文文) 题题 目目 基于基于 linux 系统下系统下 usb 鼠标驱动开发鼠标驱动开发 英文题目英文题目 using linux system to write device drivers of usb mouse 学生姓名学生姓名 学学 号号 07323202 指导教师指导教师 职称职称 讲讲 师师 专专 业业 信信 息息 工工 程程 二二 零零 一一一一 年年 五五 月月 目目录录 摘摘 要要-i abstract-ii 第一章第一章绪绪 论论-1 1.1 课题研究的背景和意义-1 1.1.1 课题研究的背景-1 1.1.2 课题研究的意义-1 1.3

2、 课题研究的内容-1 第二章第二章usb 简介简介 -2 2.1 usb 的沿革-2 2.2 usb 的优点-2 2.3 usb 的应用及发展趋势-3 2.3.1 usb 的扩展应用 -3 2.3.2 usb 的发展趋势 -4 2.4 usb 接口类型-4 2.5 usb2.0 规范-5 2.6 usb 3.0 简介-5 第三章第三章usb 系统架构与协议系统架构与协议 -7 3.1 usb 系统拓扑结构-7 3.2 usb 设备逻辑结构-8 3.3 usb 描述符-9 3.3 usb 数据传输方式-9 3.3 usb 数据流模型 -10 3.3.1 控制传输-10 3.3.2 中断传输-11

3、 3.3.3 批量传输-11 3.3.4 同步传输-12 第四章第四章linux 系统内核及内核模块系统内核及内核模块-13 4.1 linux体系结构 -13 4.2 linux内核架构 -13 4.3 linux内核目录结构 -14 4.4 linux内核模块开发 -15 4.4.1 makefile-15 4.4.2 安装和卸载内核模块-17 4.5 linux内核配置与安装 -18 3 3 第五章第五章linux usb 系统与功能测试系统与功能测试 -23 5.1 usb 协议软件层次 -23 5.2 linux usb 架构-24 5.3 massstorsge-24 5.4 us

4、b-hid-28 第六章第六章linux usb 鼠标驱动程序设计鼠标驱动程序设计 -31 6.1 usb 鼠标驱动程序分析 -31 6.2 urb-33 6.3 搭建开发平台 -33 6.3.1 安装编辑工具-33 6.3.2 安装和配置编译器-33 6.3.3 安装其他工具-34 6.3.4 平台硬件构成-34 6.3.5 平台软件构成-36 6.4 usb 鼠标驱动程序详细设计 -36 总总结结-41 致致谢谢-42 参考文献参考文献 -43 东华理工大学长江学院毕业设计 摘要 i 摘摘 要要 随着计算机硬件飞速发展，外围设备日益增多，键盘、鼠标、调制解调器、打 印机、扫描仪早已为人所共

5、知，数码相机、mp3 随身听接踵而至，这么多的设备， 如何接入个人计算机？usb 就是基于这个目的产生的。usb 是一个使计算机周边设备 连接标准化、单一化的接口，其规格是由 intel（英特尔） 、 nec、compaq、dec、ibm（商业机器公司） 、microsoft（微软） 、northern telecom 联系制定的。usb 具有传输速度快，使用方便，支持热插拔，连接灵活，独立供电 等优点，几乎应用于所有的外部设备，成为当今个人电脑和大量智能设备的必配的 接口之一。 本设计主要以 linux usb 为中心，研究 usb 系统架构与其协议分析、linux 系 统内核及内核模块配置

6、和编译、linux usb 系统与功能测试和 linux usb 鼠标驱动 程序设计。主要知识涉及 usb 系统架构，usb 描述符，usb 数据描述方式，usb 枚举， linux 内核简介，linux 内核及内核模块配置预编译，linux 系统架构， massstorage 与 usb-hid，usb urb 等相关内容。 关键词关键词：驱动程序；usb；linux；嵌入式。 东华理工大学长江学院毕业设计 abstract ii abstract with the rapid development of computer hardware and peripherals increasi

7、ng, keyboard, mouse, modem, printer, scanner is already known, digital camera, mp3 player, so many of the ensuing equipment, how to access personal computer? usb is based on the objective of generation. usb is a computer peripheral devices connected standardization, simplification, its specification

8、 is made interface intel (intel), nec, compaq, dec, ibm (business machine company), microsoft (microsoft), northern telecom contact work. usb with transmitting speed, easy to use, support hot swaps, connect flexible, independent power supply etc, almost applied to all external devices, now became a

9、personal computer and intelligent devices with one of the interface of will. this design mainly linux usb as the center, the research system architecture and usb protocol analysis, linux kernel and kernel module configuration and compilation, linux usb system and function testing and linux usb mouse

10、 driver design. main knowledge system architecture involving usb, usb descriptors, usb, usb enumeration data description way, linux kernel introduction, linux kernel and kernel module configuration pre-compiled massstorage system architecture, linux, and usb - hid, usb urb and other related content.

11、 key words: device drivers;usb;linux; embedded. 东华理工大学长江学院毕业设计 第一章 绪论 1 第一章第一章绪绪 论论 1.1 课题研究的背景和意义课题研究的背景和意义 1.1.1 课题研究的背景课题研究的背景 随着计算机硬件飞速发展，外围设备日益增多，键盘、鼠标、调制解调器、打 印机、扫描仪早已为人所共知，数码相机、mp3 随身听接踵而至，这么多的设备， 如何接入个人计算机？usb 就是基于这个目的产生的。usb 是一个使计算机周边设备 连接标准化、单一化的接口，其规格是由 intel（英特尔） 、 nec、compaq、dec、ibm（商业机

12、器公司） 、microsoft（微软） 、northern telecom 联系制定的。usb 具有传输速度快，使用方便，支持热插拔，连接灵活，独立供电 等优点，几乎应用于所有的外部设备，成为当今个人电脑和大量智能设备的必配的 接口之一。 1.1.2 课题研究的意义课题研究的意义 usb 凭借自身的优势，usb 设备也开始广泛的应用于嵌入式设备中。本论文就是 基于嵌入式系统来编写 usb 设备驱动，以加强对 usb 接口和设备的认识，同时也通 过本毕业设计将四年来所学的专业知识和其他方面的知识融入到实际应用中。 1.3 课题研究的内容课题研究的内容 本设计主要以 linux usb 为中心，研

13、究 usb 系统架构与其协议分析、linux 系 统内核及内核模块配置和编译、linux usb 系统与功能测试和 linux usb 鼠标驱动 程序设计。主要知识涉及 usb 系统架构，usb 描述符，usb 数据描述方式，usb 枚举， linux 内核简介，linux 内核及内核模块配置预编译，linux 系统架构， massstorage 与 usb-hid，usb urb 等相关内容。 东华理工大学长江学院毕业设计 第二章 usb 简介 2 第二章第二章usb 简介简介 2.1 usb 的沿革的沿革 usb 是英文 universal serial bus 的缩写，中文含义是“通用串

14、行总线” 。它 是一种应用在计算机领域的新型接口技术。早在 1995 年，就已经有个人电脑带有 usb 接口了，但由于缺乏软件及硬件设备的支持，这些个人电脑的 usb 接口都闲置 未用。1998 年后，随着微软在 windows 98 中内置了对 usb 接口的支持模块，加上 usb 设备的日渐增多，usb 接口才逐步走进了实用阶段。 这几年，随着大量支持 usb 的个人电脑的普及，usb 逐步成为个人电脑的标准 接口已经是大势所趋。在主机端，最新推出的个人电脑几乎 100%支持 usb；而在外 设端，使用 usb 接口的设备也与日俱增，例如数码相机、扫描仪、游戏杆、磁带和 软驱、图像设备、打

15、印机、键盘、鼠标等等。目前主板中主要是采用 usb1.1 和 usb2.0，各 usb 版本间能很好的兼容。usb 用一个 4 针（usb3.0 标准为 9 针）插头 作为标准插头，最多可以连接 127 个外部设备，并且不会损失带宽。usb 需要主机 硬件、操作系统和外设三个方面的支持才能工作。目前的主板一般都采用支持 usb 功能的控制芯片组，主板上也安装有 usb 接口插座，而且除了背板的插座之外，主 板上还预留有 usb 插针，可以通过连线接到机箱前面作为前置 usb 接口以方便使用。 而且 usb 接口还可以通过专门的 usb 连机线实现双机互连，并可以通过 hub 扩展出 更多的接口

16、。usb 具有传输速度快（usb1.1 是 12mbps，usb2.0 是 480mbps, usb3.0 是 5 gbps） ，使用方便，支持热插拔，连接灵活，独立供电等优点，可以连接鼠标、 键盘、打印机、扫描仪、摄像头、闪存盘、mp3 机、手机、数码相机、移动硬盘、 外置光软驱、usb 网卡、adsl modem、cable modem 等外部设备。 usb 各版本区别版本最大传输速率速率称号最大输出电流协议推出时间： usb1.0：1.5mbps(192kb/s)低速(low-speed)500ma1996 年 1 月； usb1.1：12mbps(1.5mb/s)全速(full-spe

17、ed)500ma1998 年 9 月； usb2.0：480mbps(60mb/s)高速(high-speed)500ma2000 年 4 月； usb3.0：5gbps(640mb/s)超速(super-speed)900ma2008 年 11 月。 2.2 usb 的优点的优点 usb 设备之所以会被大量应用，主要具有以下优点： 1、可以热插拔。这就让用户在使用外接设备时，不需要重复“关机将并口或串 东华理工大学长江学院毕业设计 第二章 usb 简介 3 口电缆接上再开机”这样的动作，而是直接在电脑工作时，就可以将 usb 电缆插上 使用。 2、携带方便。usb 设备大多以“小、轻、薄”见

18、长，对用户来说，同样 20g 的 硬盘，usb 硬盘比 ide 硬盘要轻一半的重量，在想要随身携带大量数据时，当然 usb 硬盘会是首要之选了。 3、标准统一。大家常见的是 ide 接口的硬盘，串口的鼠标键盘，并口的打印机 扫描仪，可是有了 usb 之后，这些应用外设统统可以用同样的标准与个人电脑连接， 这时就有了 usb 硬盘、usb 鼠标、usb 打印机等等。 4、可以连接多个设备。usb 在个人电脑上往往具有多个接口，可以同时连接几 个设备，如果接上一个有四个端口的 usb hub 时，就可以再连上。 2.3 usb 的应用及发展趋势的应用及发展趋势 usb1.1 标准接口传输速率为 1

19、2mbps，但是一个 usb 设备最多只可以得到 6mbps 的传输频宽。因此若要外接光驱,至多能接六倍速光驱，无法再高。而若要即时播放 mpeg-1 的 vcd 影片,至少要 1.5mbps 的传输频宽,这点 usb 办得到,但是要完成数据 量大四倍的 mpeg-2 的 dvd 影片播放，usb 可能就很吃力了，若再加上 ac-3 音频数 据，usb 设备就很难实现即时播放了。 用户的需求，是促进科技发展的动力，厂商也同样认识到了这个瓶颈。这时， compaq、hewlett packard、intel、lucent、microsoft、nec 和 philips 这 7 家厂 商联合制定了

20、 usb 2.0 接口标准。usb 2.0 将设备之间的数据传输速度增加到了 480mbps，比 usb 1.1 标准快 40 倍左右，速度的提高对于用户的最大好处就是意味 着用户可以使用到更高效的外部设备，而且具有多种速度的周边设备都可以被连接 到 usb 2.0 的线路上，而且无需担心数据传输时发生瓶颈效应。 另外，usb2.0 兼容 usb1.1，也就是说 usb1.1 设备可以和 usb2.0 设备通用，但 是这时 usb2.0 设备只能工作在全速状态下(12mbit/s)。usb2.0 有高速、全速和低 速三种工作速度，高速是 480mbit/s，全速是 12mbit/s，低速是 1

21、.5mbit/s。其中 全速和低速是为兼容 usb1.1 和 usb1.0 而设计。 2.3.12.3.1 usbusb 的扩展应用的扩展应用 2.3.1.1 前置 usb 接口 前置 usb 接口是位于机箱前面板上的 usb 扩展接口。目前，使用 usb 接口的各 种外部设备越来越多，例如移动硬盘、闪存盘、数码相机等等。前置 usb 接口在这 方面就给用户提供了很好的易用性。 前置 usb 接口要使用机箱所附带的 usb 连接线连接到主板上所相应的前置 usb 插针（一般是 8 针、9 针或 10 针，两个 usb 成对，其中每个 usb 使用 4 针传输信号 东华理工大学长江学院毕业设计

22、第二章 usb 简介 4 和供电）上才能使用。 2.3.1.2 usb 口硬盘盒 目前的主流，其最大优点是使用方便，支持热插拔和即插即用。usb 有两种标 准：一种是 usb1.1 接口，其传输速度只有 12mbps，一种是 usb2.0 接口，其传输速 度高达 480mbps。目前的主板上的 usb 都支持 usb1.1，但 usb 2.0 只有较新的主板 才能支持，购买时根据个人情况选择产品，虽然 usb2.0 向下兼容 usb1.1，但支持 usb2.0 接口的移动硬盘盒比 usb1.1 的要贵一些。 2.3.22.3.2 usbusb 的发展趋势的发展趋势 usb 开发者论坛的主席兼英

23、特尔公司的技术策略官 jeff ravencraft 表示，无 线 usb 技术将帮助用户在使用个人电脑连接打印机、数码相机、音乐播放器和外置 磁盘驱动器等设备时，从纷繁复杂的电缆连线中解放出来。无线 usb 标准的数据传 输速率与目前的有线 usb 2.0 标准是一样的，均为每秒 480m，两者的区别在于无线 usb 要求在个人电脑或外设中装备无线收发装置以代替电缆连线。 无线 usb 采用超宽带技术进行通信。目前无线局域网的 802.11g 协议采用位于 2.4ghz 附近的一小段频带进行通信，而超宽带技术则采用从 3.1ghz 到 10.6ghz 的 频带进行通信。超宽带的信号水平足够低

24、，因此对于其他无线通信技术来说，超宽 带信号的影响类似于噪声。 2.4 usb 接口类型接口类型 图 1 usb 接口类型 mini 型（公口） 、mini 型（母口） 、mini 型 usb b 型、usb a 型（母口） 、usb a 型（公口） 标准 usb 接口标准 usb 连接器触点 触点功能（主机）功能（设备） 1vbus (4.755.25 v)vbus (4.45.25 v) 2d-d- 3d+d+ 4接地接地 usb 信号使用分别标记为 d+ 和 d- 的双绞线传输，它们各自使用 半双工的 东华理工大学长江学院毕业设计 第二章 usb 简介 5 差分信号 并协同工作，以抵消长

25、导线的电磁干扰。 2.5 usb2.0 规范规范 usb2.0 技术规范是有由 compaq、hewlett packard、intel、lucent、microsoft、nec、philips 共同制定、发布的，规范把 外设数据传输速度提高到了 480mbps，是 usb 1.1 设备的 40 倍！但按照原定计划新 的 usb 2.0 标准只是准备把这个标准定在 240mbps，后来，经过努力将它提高到了 480mbps。 由于当时制订的标准有了变化，usb 规范就产生了三种速度选择： 480mbps、12mbps、1.5mbps。 而 2003 年 6 月份，当 usb2.0 标准开始逐渐

26、深入人心 之后，usb 协会重新命名了 usb 的规格和标准。 重新命名了 usb 标准将原先的 usb 1.1 改成了 usb 2.0 full speed（全速版） ， 同时将原有的 usb 2.0 改成了 usb 2.0 high-speed（高速版） ，并同时公布了新的 标识。 usb 2.0 支持的操作系统：microsoft windows 7 、microsoft windows server 2008、 microsoft windows vista、microsoft windows server 2003 、microsoft windowsxp（所有版本） 、micros

27、oft windows 2000、 microsoft windows 98se 、microsoft windows me 。 2.6 usb 3.0 简介简介 英特尔公司（intel）和业界领先的公司一起携手组建了 usb 3.0 推广组，旨在 开发速度超过当今 10 倍的超高效 usb 互联技术。该技术是由英特尔，以及惠普 （hp） 、nec、nxp 半导体以及德州仪器（texas instruments）等公司共同开发的， 应用领域包括个人计算机、消费及移动类产品的快速同步即时传输。随着数字媒体 的日益普及以及传输文件的不断增大甚至超过 25gb，快速同步即时传输已经成 为必要的性能需

28、求。 usb 3.0 具有后向兼容标准，并兼具传统 usb 技术的易用性和即插即用功能。 该技术的目标是推出比目前连接水平快 10 倍以上的产品，采用与有线 usb 相同的架 构。除对 usb 3.0 规格进行优化以实现更低的能耗和更高的协议效率之外，usb 3.0 的端口和线缆能够实现向后兼容，以及支持未来的光纤传输。 usb 2.0 基于半双工二线制总线，只能提供单向数据流传输，而 usb 3.0 采用 了对偶单纯形四线制差分信号线，故而支持双向并发数据流传输，这也是新规范速 度猛 东华理工大学长江学院毕业设计 第二章 usb 简介 6 增的关键原因。 除此之外，usb 3.0 还引入了新

29、的电源管理机制，支持待机、休眠 和暂停等状态。 usb 3.0 在实际设备应用中将被称为“usb superspeed” ，顺应此前的 usb 1.1 fullspeed 和 usb 2.0 highspeed。 图 2 usb 3.0 标识图 东华理工大学长江学院毕业设计 第三章 usb 系统架构与协议 7 第三章第三章usb 系统架构与协议系统架构与协议 3.1 usb 系统拓扑结构系统拓扑结构 主机 根集线器根集线器 根集线器 集线器 设备设备设备 图 3 usb 系统拓扑结构 a 每个 usb 系统都有一个主控制器（host） ，该（host）主控器和一个根集线器作 为一个整体， 。u

30、sb 主控器在 usb 系统中 usb 主控器负责主机与设备之间的电气和协 议层得互联。usb 主控器的常规规格有 ohci、uhci、ehci。ohci 即 open host controller interface，开放式主机控制接口协议 。ehci驱动程序设计成为实现 新的高速 usb 2.0 协议的芯片提供支持。ohci驱动程序用来为非 pc 系统上的 （以及带有 sis 和 ali 芯片组的 pc 主板上的）usb 芯片提供支持。uhci驱动 程序用来为大多数其它 pc 主板（包括 intel 和 via）上的 usb 实现提供支持。 一个 usb host 最多可以同时支持 12

31、8 个地址，地址 0 作为默认地址，只在 设备枚举期间临时使 用，而不能被分配给任何一个设备，因此一个 usb host 最多 可以同时支持 127 个地址，如果一个设 备只占用一个地址，那么可最多支持 127 个 usb 设备。在实际的 usb 体系中，如果要连接 127 个 usb 设备，必须要使用 usb hub，而 usb hub 也是需要占用地址的，所以实际可支持的 usb 功能设备的数 量将小于 127。 usb 体系采用分层的星型拓扑来连接所有 usb 设备，如下图所示： 东华理工大学长江学院毕业设计 第三章 usb 系统架构与协议 8 图 4 usb 系统拓扑结构 b 以 ho

32、st-root hub 为起点 ，最多支持 7 层（tier） ，也就是任何一个 usb 系 统中最多可以允许 5 个 usb hub 级联。一个复合设备（compound device） 将同 时占据两层或更多的层。root hub 是一个特殊的 usb hub，它集成在主机控制器里， 不占用地址。root hub 不但实现了普通 usb hub 的功能，还包括其他一些功能。 3.2 usb 设备逻辑结构设备逻辑结构 设备描述符 配置 0配置 n 接口 0接口 0接口 1 端点 0端点 1端点 0 图 5 usb 设备逻辑结构 在 usb 协议中接口由多个端点组成，代表一个基本的功能，是 u

33、sb 设备驱动程 序控制的对象。如：配置一：音频（接口）+旋钮（接口） ；配置二：音频（接口）+ 旋钮（接口）+视频（接口） 。 设备端点是 usb 设备中的唯一可寻址部分，它位于 usb 设备或主机上的一个数 据缓冲区，用来存放和发送 usb 各种数据，主机和设备的通信的最终作用于设备的 各个端点。usb 设备有一个唯一的地址，在设备连接上主机时，由主机分配，而设 备终的每一个端点在设备内部有唯一的端点号，给端点号是设计设备时给定的。每 个设备必有端点 0，它用于设备枚举和对设备进行一些基本的控制功能。 东华理工大学长江学院毕业设计 第三章 usb 系统架构与协议 9 3.3 usb 描述符

34、描述符 在每个 pci 设备中都有一组固定格式的寄存器，称之为 pci 寄存器，通过访问 这组寄存器，主机能获得 pci 设备的信息。同样，usb 内部，同样也包含了类似于 pci 配置寄存器，这样的固定格式的数据，通过这些数据，主机可以获取 usb 设备 的类型、生产厂商等信息。 标准 usb 设备有 5 钟 usb 描述符：设备描述符、配置描述符、接口描述符、字 符串描述符。一个 usb 设备只有一个设备描述符，一个设备描述符可以包含多个配 置描述符，一个配置描述符可以包含多个接口描述符，一个接口使用几个端点就有 几个端点描述符。 3.3 usb 数据传输方式数据传输方式 usb 采用轮询

35、的广播机制传输数据，所有的传输都由主机发起，任何时刻整个 usb 体系内仅允许一个数据包的传输，即不同物理传输线上看到的数据包都是同一 被广播的数据包。 usb 采用“令牌包”-“数据包”-“握手包”的传输机制，在令牌包中指定数 据包去向或者来源的设备地址和端点（endpoint） ，从而保证了只有一个设备对被广 播的数据包/令牌包作出响应。握手包表示了传输的成功与否。 图 6 usb 传输方式分析 一个传输有一个或多个事务（transaction）构成。事务可分为 in 事务、out 事务，setup 事务。一个事务由一个或多个包（packet）构成。包又可分为令牌包、 东华理工大学长江学院

36、毕业设计 第三章 usb 系统架构与协议 10 数据包、握手包、特殊包。一个包由多个域构成：同步域（sync） 、标示域（pid） 、 地址域(addr)、端点域(endp)、帧号域(fram)、数据域(data)、校验域(crc)。 数据包是 usb 总线上数据传输的最小单位，包括 sync、数据及 eop 三个部分。 其中数据的格式针对不同的包有不同的格式。但都以 8 位的 pid 开始。pid 指定 了数据包的类型（共 16 种） 。令牌包即指 pid 为 in/out/setup 的包。 端点（endpoint）是 usb 设备中的可以进行数据收发的最小单元，支持单向或 者双向的数据传

37、 输。设备支持端点的数量是有限制的，除默认端点外低速设备最多 支持 2 组端点（2 个输入，2 个输出） ，高速和全速设备最多支持 15 组端点。 管道（pipe）是主机和设备端点之间数据传输的模型，共有两种类型的管道： 无格式的 流管道（stream pipe）和有格式的信息管道（message pipe） 。任何 usb 设备一旦上电就存 在一个信息管道，即默认的控制管道，usb 主机通过该管道来获 取设备的描述、配置、状 态，并对设备进行配置。 usb 设备连接到 host 时，host 必须通过默认的控制管道对其进行枚举，完成 获得 其设备描述、进行地址分配、获得其配置描述、进行配置等

38、操作方可正常使用。 usb 设备 的即插即用特性即依赖于此。 枚举是 usb 体系中一个很重要的活动，由一系列标准请求组成（若设备属于某 个子类，还包含 该子类定义的特殊请求） 。通过枚举 host 可以获得设备的基本描 述信息，如支持的 usb 版本、pid、 vid、设备分类（class） 、供电方式、最大消 耗电流、配置数量、各种类型端点的数量及传输能力（最大包长度） 。host 根据 pid 和 vid 加载设备驱动程序，并对设备进行合适的配置。只有经过枚举的设备才 能正常使用。对于总线供电设备，在枚举完成前最多可从总线获取 100ma 的电流。 枚举的步骤为获取设备描述符、复位、设置

39、地址、再次获取设备描述符、获取配置 描述符、获取接口及端点描述符、获取字符串描述符、选择设备配置。 3.3 usb 数据流模型数据流模型 usb 体系定义了四种类型的传输，它们是： 控制传输、 中断传输、批量传输、 同步传输。 3.3.13.3.1 控制传输控制传输 控制传输是一种可靠的双向传输，一次控制传输可分为三个阶段。第一阶段为 从 host 到 device 的 setup 事务传输，这个阶段指定了此次控制传输的请求类型； 第二阶段为数据阶段，也有些请求没有数据阶段；第三阶段为状态阶段，通过一次 in/out 传输表明请求是否成功完成。 控制传输通过控制管道在应用软件和 device

40、的控制端点之间进行，控制传输 过程中传输的数据是有格式定义的，usb 设备或主机可根据格式定义解析获得的 数 东华理工大学长江学院毕业设计 第三章 usb 系统架构与协议 11 据含义。其他三种传输类型都没有格式定义。 控制传输对于最大包长度有固定的要求。对于高速设备该值为 64byte；对于低 速设备该值为 8；全速设备可以是 8、16、32、 64。 最大包长度表征了一个端点单次接收/发送数据的能力，实际上反应的是该端点 对应的 buffer 的大小。buffer 越大，单次可接收/发送的数据包越大，反之亦反。 当通过一个端点 进行数据传输时，若数据的大小超过该端点的最大包长度时，需要 将

41、数据分成若干个数据 包传输，并彍要求除最后一个包外，所有的包长度均等于该 最大包长度。这也就是说如果 一个端点收到/发送了一个长度小于最大包长度的包， 即意味着数据传输结束。控制传输在访问总线时也受到一些限制，如：高速端点的 控制传输不能占用超过 20%的微帧，全速和低速的则不能超过 10%。 在一帧内如果有多余的未用时间，并且没有同步和中断传输，可以用来进行控 制传输。 3.3.23.3.2 中断传输中断传输 中断传输是一种轮询的传输方式，是一种单向的传输，host 通过固定的间隔 对中断端点进行查询，若有数据传输或可以接收数据则返回数据或发送数据，否则 返回 nak，表示尚未准备好。 中断

42、传输的延迟有保证，但并非实时传输，它是一种延迟有限的可靠传输，支 持错误重传。 对于高速/全速/低速端点，最大包长度分别可以达到 1024/64/8 bytes。 高速 中断传输不得占用超过 80%的微帧时间，全速和低速不得超过 90%。 中断端点的轮 询间隔由在端点描述符中定义，全速端点的轮询间隔可以是 1255ms，低速端点为 10255ms，高速端点为(2interval-1)*125us，其中 interval 取 1 到 16 之间的 值。除高速高带宽中断端点外，一个微帧内仅允许一次中断事务传输，高速高带宽 端点最多可以在一个微帧内进行三次中断事务传输，传输高达 3072 字节的数据

43、。 所谓单向传输，并不是说该传输只支持一个方向的传输，而是指在某个端点上 该传输 仅支持一个方向，或输出，或输入。如果需要在两个方向上进行某种单向传 输，需要占用两个端点，分别配置成不同的方向，可以拥有相同的端点编号。 3.3.33.3.3 批量传输批量传输 批量传输是一种可靠的单向传输，但延迟没有保证，它尽量利用可以利用的带 宽来完成传输，适合数据量比较大的传输。低速 usb 设备不支持批量传输，高速批 量端点的最大包长度为 512，全速批 量端点的最大包长度可以为 8、16、32、64。 批量传输在访问 usb 总线时，相对其他传输类型具有最低的优先级，usb host 总 是优先安排其他

44、类型的传输，当总线带宽有富余时才安排批量传输。高速的批量端 点必须支持 ping 操作，向主机报告端点的状态，nyet 表示否 定应答，没有准备 东华理工大学长江学院毕业设计 第三章 usb 系统架构与协议 12 好接收下一个数据包，ack 表示肯定应答，已经准备好接收下一个数据包。 3.3.43.3.4 同步传输同步传输 同步传输是一种实时的、不可靠的传输，不支持错误重发机制。只有高速和全 速端点支持同步传输，高速同步端点的最大包长度为 1024，低速的为 1023。除高 速高带宽同步端点外，一个微帧内仅允许一次同步事务传输，高速高带宽 端点最多 可以在一个微帧内进行三次同步事务传输，传输高

45、达 3072 字节的数据。全速同步 传输不得占用超过 80%的帧时间，高速同步传输不得占用超过 90%的微帧时间。 同步端点的访问也和中断端点一样，有固定的时间间隔限制。 在主机控制器和 usb hub 之间还有另外一种传输分离传输（split transaction） ，它仅在主机 控制器和 hub 之间执行，通过分离传输，可以允许全速/低速设备连接到高速主机。 分离传输对于 usb 设备来说是透明的、不可见的。分离传输顾名思义就是把一次完 整的事务传输分成两个事务传输来完成。其出发点是高速传输和全 速/低速传输的 速度不相等，如果使用一次完整的事务来传输，势必会造成比较长的等待时间，从 而

46、 降低了高速 usb 总线的利用率。通过将一次传输分成两此，将令牌（和数据） 的传输与响应数据（和 握手）的传输分开，这样就可以在中间插入其他高速传输， 从而提高总线的利用率。 东华理工大学长江学院毕业设计 第四章 linux 系统内核和内核模 块 13 第四章第四章linux 系统内核及内核模块系统内核及内核模块 4.1 linux 体系结构体系结构 user applications(应用程序) gun c library(c 库) system call interface（系统调用接口） kernel（内核） architechure-dependent kernel code(依赖硬

47、件体系结构的代码) 用 户 空 间 内 核 空 间 gun/linux 图 7 linux 系统结构 现代 cpu 有不同的工作模式，以 arm 为例，有用户模式（usr） 、快速中断模式 (fiq)、外部中断模式(irq)、管理模式(svc)、数据访问终止模式(abt)、系统模式 （sys） 、未定义指令中断模式（und） ，不同模式执行的特权指令不同，linux 系统 利用了 cpu 这一特性，使用了其中的两级来翻倍运行 linux 内核昱应用程序，是操 作系统本身得到充分的保护。内核空间与用户空间是程序执行的两种不同的状态， 通过系统调用和硬件中断能够完成从用户空间到内核空间的转移。 4

48、.2 linux 内核架构内核架构 linux 内核源代码采用树形结构进行组织，把功能先关的文件都放在同一个子 目录下，是程序更具有可读性。 东华理工大学长江学院毕业设计 第四章 linux 系统内核和内核模 块 14 system call interface(sci)系统调用接口 pross management(pm) 进程管理 依赖硬 件体系 结构的 代码 device drivers（dd） 驱动程序 arch memory management(mm) 内存管理 network stack 网络协议栈 virtueal file system(vfs) 虚拟文件系统 图 8 lin

49、ux 内核 4.3 linux 内核目录结构内核目录结构 图 9 linux 内核文件目录 /arch 目录：内核多支持的每一种支持 cpu 体系，在该目录下都有对应的子目 录，每一个 cpu 的子目录有进一步分解为 boot、kernel 等子目录，分别包含了控制 系统引导，系统调用等。 /bock 目录：部分块设备驱动程序。 /crypto 目录：加密、压缩、crc 校验算法。 /documentation 目录：内核的文档。 /driver 目录：设备驱动程序。 东华理工大学长江学院毕业设计 第四章 linux 系统内核和内核模 块 15 /fs 目录：存放各种文件系统的实现代码。 /i

50、nclude 目录：内核所需的头文件，与平台无关的头文件在 include/linux 子 目录下与硬件体系相关的头文件在 arch 目录下。 /init 目录：内核初始化代码。 /ipc 目录：进程间通信的实现代码。 /kernel 目录：linux 大多数关键的核心功能（调用程序、进程控制、模块化） /lib 目录：库文件代码 /mm 目录：用于实现内存管理中昱硬件体系结构无关的部分。 /net 目录：网络协议实现的代码。 /samples 目录：一些内核编程的范例。 /scripts 目录：配置内核的脚本。 /security 目录：安全相关。 /sound 目录：音频设备的驱动程序。

51、/usr 目录：cpio 命令的实现。 /virt 目录：内核虚拟机。 4.4 linux 内核模块开发内核模块开发 linux 内核的整体结构非常庞大，起包含组件也很多，若所有组件都编译进内 核文件，这样会导致内核文件过大，添加和删除组件是就要重新编译内核。linux 内核模块动态的添加到正在运行的内核中。 linux 内核模块的特点：本身并不编译进内核；可以格局需求，在内核运行期 间动态的安装和卸载。 linux 内核模块的程序结构： 模块加载函数，安装时被系统自动的调用的函数，通过 module_init 宏来指定； 模块卸载函数，卸载时被系统自动的调用的函数，通过 module_exi

52、t 宏来指定。 4.4.14.4.1 makefile 当工程很大，需要很多源文件，这是不可能一个一个的去运行，这是就要用到 makefile。gun 的 makefile 能够是整个软件工程编译，连接只需要一个命令就可以 完成。makefile 文件描述整个工程的编译连接规则。 makefile 术语: a.规则：用于说明如何生成一个或多个目标文件，命令要用 tab 键开始。 东华理工大学长江学院毕业设计 第四章 linux 系统内核和内核模 块 16 规则: targets（目标）: prerequisites（依赖） (tab 键)command（命令） eg： obj : hello.

53、o gcc o hello b.最终目标:第一条规则为最终的目标 c.伪目标：makefile 中把没有任何依赖只要执行的目标为伪目标 .phony :clearn (将 clearn 声明为伪目标) clear： rm f hello d.变量:用$()定义 eg: obj =main.o fun1.o fun2.o hello:$(obj) gcc $(obj) o hello 默认变量$:代表所有依赖文件 $：代表目标 $：代表第一个依赖文件 eg: hello :main.o fun1.o hello:main.o fun1.o gcc main.o fun1.o hello.o gc

54、c $ -o $ makefile 中“#”字符为注释， “”字符为取消回显 （没有时，屏幕会显示运行的命令） gcc -o hello eg: ifneg($(kernelrelease) # kernelrelease 不为空执行 else obj m ：=usbmodule.o #-m 表示编译的是内核模块，后面的为模 块的名称 usbmodule objs= file1.o file1.o file1.o #定义变量 else kdir ：=/lib/modules/2.6.29-53.e15/build #定义变量 all: make c $(kdir) m=$(pwd) modul

55、es clear: rm f *.ko *.o *.mod.o *.mod.c *symvers endif 编译后生成.ko 文件为内核模块文件。 东华理工大学长江学院毕业设计 第四章 linux 系统内核和内核模 块 17 图 10 内核模块编译 4.4.24.4.2 安装和卸载内核模块安装和卸载内核模块 加载内核模块 #modprobe usbmodule.ko 图 11 安装和卸载内核模块 a 卸载内核模块 #rmmod usbmodule.ko 查看内核模块 #lsmod usbmodule.ko 东华理工大学长江学院毕业设计 第四章 linux 系统内核和内核模 块 18 图 12

56、 安装和卸载内核模块 b 4.5 linux 内核配置与安装内核配置与安装 linux 内核具有可定制的优点，具体步骤如下： 1. 清除临时文件、中间文件和配置文件： rootlocalhost linux-2.6.29#make distclean 图 13 linux 内核配置与安装 a 东华理工大学长江学院毕业设计 第四章 linux 系统内核和内核模 块 19 2.确定目标系统软硬件的配置情况，如 cpu 类型、网卡的型号、所支持的网 络协议等 3.使用如下命令配置内核: rootlocalhost linux-2.6.29#ls a rootlocalhost linux-2.6.2

57、9#make menuconfig 图 14 linux 内核配置与安装 b 进入后左右键在个选项间移动，enter 进入子菜单，每个选项上的高亮是键盘上 的快捷方式，空格可更改默认选项。 （*表示编译进内核，m 表示编译进内核模块， 空为不编译） 。可在 arch/arm/configs 下找到相应的文件.config，可将该文件拷贝到内 核源代码的根目录下（覆盖原有的.config）这样可以参照系统多该 cpu 进行的配置 的模板，之后在此基础上定制内核。 4.编译内核： rootlocalhost linux-2.6.29#make zimage (内核小于 512k) rootloca

58、lhost linux-2.6.29#make bzimage(内核大于 512k) 编译好的内核位于 arch/arm/boot/下，为 bzimage 或 zimage 文件 东华理工大学长江学院毕业设计 第四章 linux 系统内核和内核模 块 20 图 15 linux 内核配置与安装 c 5.编译内核模块： rootlocalhost linux-2.6.29#make modules 6.安装内核模块： rootlocalhost linux-2.6.29#make modules_install 图 16 linux 内核配置与安装 d 将生成的文件拷贝到/lib/modulse

59、 下，最后内核模块： 东华理工大学长江学院毕业设计 第四章 linux 系统内核和内核模 块 21 /lib/modules/2.6.29/kernel/arch/arm/kernel 图 17 linux 内核配置与安装 e 7.制作 init ramdisk rootlocalhost linux-2.6.29#mkinitrd initrd 2.6.29 2.6.29 生成 initrd 2.6.29 文件 东华理工大学长江学院毕业设计 第四章 linux 系统内核和内核模 块 22 图 18 linux 内核配置与安装 f 8.安装内核： rootlocalhost linux-2.6

60、.29#cp arch/ram/boot/bzimage /boot/mylinux-2.6.29 9.安装内核模块： rootlocalhost linux-2.6.29#cp initrd 2.6.29 /boot/ 图 19 linux 内核配置与安装 g 东华理工大学长江学院毕业设计 第五章 linux usb 系统与功能 23 第五章第五章linux usb 系统与功能测试系统与功能测试 5.1 usb 协议软件层次协议软件层次 clinet sw(客服软件) usb system sw(客服软件) usb host controller（主控器）usb bus interface(