嵌入式Linux下USB设备的大容量数据传输驱动开发与实现

1、前沿技术DOI: 10. 3969/.j issn 1001-3824. 2011. 02 014嵌入式Linux下USB设备的大容量数据传输驱动开发与实现范耀武，何维,田增山(重庆邮电大学无线定位与空间测量研究所,重庆400065)摘 要:针对手持终端探测过程中大容量数据传输 驱动开发存在的难点，利用嵌入式L nux平台及USB驱动架构, 分析了 EZ-U SB驱动读取数据的流程，提岀了大缓存 USB驱动的设计方案,通过原型设备测试验证了该设计方案 的有效性，解决了 EZ-USB FX2芯片高速传输中出现的数据丢失现象 。关键词：嵌入式Linux;高速传输；USB设备驱动；内存页申请

2、9; 1 4-2012 ChinaJournal Electronic Publishing Hcuuc. All fights rvstrved. htlp: /wwW.Cftki前沿技术© 1 4-2012 ChinaJournal Electronic Publishing Hcuuc. All fights rvstrved. htlp: /wwW.Cftki前沿技术0引言USB以其低成本、速度高、通用性强、支持即插 即用等优 点使得越 来越多的 设备采 用USB接口。 随着L nux系统的逐步完善，功能逐渐强大，在嵌入 式Linux平台下的USB设备驱动开发成为了该领域 工

3、程实现的热点和难点。本项目研发的手持终端主要应用于定位和跟 踪手机目标，在刑警抓获匪徒、解救人质，以及在地 震等灾难后定位和搜寻人员都有着重大的意义。 但是手持终端在定位和跟踪目标时需要采集大量的数据来解算，如果是4倍采样的 话,则速率 高达 20 48 Mb it/s,实时高速的传输是整个项目的一个研 发难点。基于L nux嵌入式平台，我们开始设计了 3种方 案，分别采用 GPIO, GFM C USB来传输。GPIO ( gen era- purpose I /O)由于收发之间没有时钟约定以及I/O本身数据传输能力有限导致数据丢失的问题无法 解决。GFMC( gen era-purpose

4、memory con troller)专门 用于高速存储之间的访问，一般用于SRAM等设备， 在L inux内核源码中仅仅有 nandflash访问的源码，开 发用于FPGA高速传输的驱动难度较高。由于上述 原因我们采用较为成熟的USB2 0芯片，其理论速度收稿日期:201012-28高达60 M bit/s,同时在 Linux下也有 USB的相关源 码仔细分析Linux内核及USB源码，从USB读取数据流程中提出USB驱动改进的方案，经原型设备测 试其有效性后，基于EZ-USB FX2设备的4 Mbit/s大 缓存的USB驱动最终被项目采用。1硬件系统介绍本次项目 开发采用的嵌入式开发板是D

5、evK it8000 具有 ARM + DSP双内核的 OMAP3530处理 器,可兼顾设备的数据处理强 度大、调度和控制功能要求高的需要。DSP内核对数据的压缩处理能力 非常强，而ARM内核可以完成系统的整 体控制功能和对DSP运算结果的访问。USB芯片采用的拥有1个独特的结构成独立串行数据的编是 EZ-USB FX2, EZ-USB FX2,其串行接口引擎SIE负责完解码、差错控制、位填充等与USB协议有关的功能，FX2还包含一个通用可编程 接口(GPIF),它支持所有通用的总线标准，如ATA-PI(PIO和 UDMA ), IEEE1284( EPP并行口 ), UTOP LA等,并可与

6、外部 ASIC； DSP等直接连接。为了验证数据传输的正确性还加了EP3C5E144型号的FPGA,根据项目需要，FPGA的工作频率是 10 24MH z让其产生16位的循环码，通过USB传送 给DevK it8000并计算其丢包率和误码率。53© 1 4-2012 ChinaJournal Electronic Publishing Hcuuc. All fights rvstrved. htlp: /wwW.Cftki前沿技术54 D G ITAL COMMUN CAT ON/20112硬件系统结构如图i所示。图i硬件系统结构图1. 1嵌入式L inux系统1 1 1嵌入式Lin

7、ux系统嵌入式L nux系统主要分为4个部分,分别为MLO, Uboot ulm age和 rootfs L inux 启动过程也是 按照这个顺序，先加载MLO即x-loader,为第一阶段 引导装载器，主要实现的功能是初始化最基本的硬 件,然后根据启动方式从nand flash或mmc/sd拷贝u-boot代码到内存，把系统引导到能够装载 第二阶 段引导装载器的状态。第二阶段引导装载器是U-boot但是大多数 发行版在 u-boo.t bin文件中 提供 自己的U-boo t版本。U-boot对大部分的硬 件进行 初始化，然后引导L inux内核,完成系统的启动。112系统移植步骤MLO与u

8、boot的编译非常相似，都是在其对应 源码中修改 makefile CROSS_COMPILE为自己的 交叉编译 器,然后执行 make d stclean和 make omap3530stalker_config&& make , MLO 还要多 1 个 签名步骤 /signGP x bad bin,然后执行 mvxload. b in. iftMLO 将 xload. bin 改名为 MLO。内核的编译可以通过命令 make menuconfig 来自己配置需要的选项，生成自己定 制的内核，也可以在内核源码目录/arch/arm /configs中将对应的配置文件拷贝出来，

9、执行 make om ap3_devkit8000_ defconfig 和 make uImage 生成 DevKit8000系统默 认配置的内核文件。1 1 3根文件系统 rootfs如果是将 rootfs烧录至U nand flash启动的话，可 以使用后缀为.mg的镜像文件如ub.i mg如果是在SD卡启动，可以采用 ram disk的压缩包格式，它 是在内核加载完成后将rootfs解压缩到内存中让用户自行操作内核；还有另外一种较为常用的方法是 使用双分区技术将SD格式化为 2个分区，一个是FAT32格式，另一个是 EXT3 FAT32格式的分区可 以在 windovs下识别，用以存放

10、 MLO, uboot和u W age而Linux分区即EXT3则存放 rootfs这样做的好处是系统启动后不需要将文件系统解压到内存中,可以节约一部分内存。在嵌入式平台资源本来 就紧张的环境下，这不失为一种较好的方法。1 2 U SB驱动结构USB驱动采用树形拓扑结构，在USB接口协议 中,USB被划分为USB主机和USB设备2个部 分1。每条总 线上只有 1个主 机控制器HC ( host controller),负责 协议主 机与 设备之 间的通 信。而 USB设备则可以对应很多个，主机是 USB的核心,管理着每个USB设备,每一次USB数据通信都必须 由USB设备来发起。USB主机系统

11、由多层构成，总 体结构如图2所示。图2 USB驱动架构在L nux主机驱动中，硬件部分包括根集线器 和USB主机控制器，提供USB的物理层功能。在其 之上运行的是 U SB主机控制器驱动 H CD( host cont- oller driver)。 H CD作为底层硬件的驱动程序，一方面控制和管理底层硬 件,负责将USB事务发送给 USB主机控制器芯片；另一方面为上层的USB系统软件提供了 统一的 接口 HCI( host controller nte- face),方便将各种不同的 HC映射到USB系统。目 前HCI主要有3种不同的标准：UHC, OHCI和EH- C,其中EHCI标准为增

12、强型，HCI支持USB2 0高 速模式(60 M bit/s)。主机控制器驱动之上为USB驱动(USBD)层，再上层为USB设备驱动层。因此， 在驱动的总 体结构中，要实现的USB驱动包括2 类:USB主机控制器驱动和 USB设备驱 动,前者控 制插入其中的USB设备,后者控制USB设备如何与 主机通信。Linux内核USB核心(USBD )负责USB驱动管 理和协议处理的主要工作，它通过定义一系列的数 据结构、函数和宏定义 来抽象设备的 硬件细节，向 上为设备驱动提供编程接口，向下为主机控制器驱动提供编程接口。其具体功能包括：提供与设备驱动程序的接口 API、读取USB设备描述符、配置描述

13、符,为USB设备分配唯一的地址端点，支持基本的USB命令请求、配置设备、连接设备与相应的驱动 程序、转发设备驱动程序的数据包。在Lnux编写U SB设备的驱动程序，从严格意义上 来讲，就是使 用USB内核定义的这些数据结构、函数来编写数据 的处理功能。1 3 EZ-U SB FX 2驱动开发与实现1 3 1 EZ-U SBFX2驱动U SB驱动文件是在L inux2 6 29 drivers usb目录下，通过 makemenuconfg命令将 USB驱动下EHC I H CD (USB 2 0 ) support 和 Select FHY / TLL m ode for USB ports

14、on OMAP34xx /OMAP35xx 配置选项选择为*编译进内核，然后再编译对应的USB设备驱动2。EZ-USB FX2芯片驱 动可使用L inu*2 6 29 drivers'usb目录下的示例 usbskeleton. c文件，将该 文件的第27行和第28行即匹配具体设备的VID和PID，将其改为 EZ-U SB FX2芯片的 V ID和 PID号， 具体修改女口 下:# define USB _SKEL _VENDOR _ID# 0x0547 和 # define USB _ SKEL _PRODUCT _ ID# 0x1002然后将该文件 与编译驱动的M akefile放

15、在一个目录下，在终端直接输入M ake命令便可得到想要的驱动文件，输入 insn od skeleton ko后系统 识别该文件下的 m odule_ n it( usb_skel_ n it)继而调 用skel_probe()函数实现 USB驱动的加载，若要卸 载该驱动 则输入 mmod skeleton ko系统会识别 该驱动文件的 m odule_exit( usb_skel_ex it)实现卸载 该驱动3。1 3 2数据读取流程上述编译的驱动虽然可加载成功，也可以读到 从FPGA产生并传给E乙USB的循环码数据，但是速率只有15M bit/s左右，同时伴随着丢失数据的不 连续。分析整个

16、数据读取的过程，该驱动的skel_read()读数据函数，其函数原型为：static ssize_t skel_read( struct file * file char* buffer size_t court，loff_t* ppos)其中第 1 个参数为 该驱动的文件描述字，第2个参数为存放数据的首地 址，第3个参数为读取数据的大小。该函数最关键的 是调用USB驱动核心部分的bulk传输函数。usb_bulk_msg(dev- > udevusb_rcvbulkpipe( dev- > udev dev- > buk_h_end pointAddr)，dev- >

17、 bulk_ n_bu fferm n( dev- > bulk_in_size count)，& bytes_read 10000);从中可以 看到该USB驱动使用了bulk传输。第1个参数指定了该驱动对应的USB设备，第2个参数定义了 bu lk传输过程的输入端点，第3个参数 为驱动存放数据的首地址，第4个参数表示最大可 读取的字节数，第5个参数表示实际读取数据的大 小，因为该函数采用同步等待，所以有最 大等待时间为10 000ms该函数会调用 USB核心函数通过 USB主机控制器驱动将USB设备硬件端点的数据传输到 dev- > bu k_in_buffer当数据已经

18、读到 dev- > bu lk_in_buffer中，skel _read函数又调用 copy_to_user()函数将 USB数据 传送到应用层空间。1 3 3 EZ-USB FX2驱动设计方案整个数据读取流程只有dev- > bulk_ n_buffer可以修改，该buffer大小的申请在usbskeleton. c文件的第 382 行：dev- > bulk _ in _bu ffer = km alloc (buffer_ size GFP_KERNEL )，其 中 buffer_size= le16_to_cpu ( endpoint- > wM axPack

19、etSize)，初始大 小为512 bit也就是每调用一次skel_read()只能读取512 bit如果应用层一次需要读取几M大小的字节则会频繁调用该函数，这样会导致在连续调用该 函数的间隙中丢失一部分数据，将该dev- > bulk_n_buffer = kmalloc( buffer_size* 128 GFP_KER- NEL)即该buffer增大到64 kB时测试接收到的速率 有所提升，数据的丢失率也减少了，但是数据仍然存在着丢失。因为利用kmalloc()函数申请 buffer的大小最大只能是128 kB，如果还想扩大 bu ffer只 能采用内存页的申请方式，同时由于底层传

20、输采用 的是DMA方式，这就要求该buffer的物理地址必须 是连续的，所以最后决定使用_get_free_pages()内存页申请函数，该函数定义在mm/page_alloc. c文55件的line 2172处，其原型为：© 1 4-2012 ChinaJournal Electronic Publishing Hcuuc. All fights rvstrved. htlp: /wwW.Cftki前沿技术unsigned long_get_ free_pages( ) (gp_t gfp_ mask unsigned int order)第1个参数gfp_mask为标识符也称之为

21、分配优先级，第2个参数order是指分配的大小，其最大 值由 in clude/L nux /Mm zone h 文件中的 MAX _OR- DER宏决定，在默认的2 6 29内核版本中，该宏定 义为1C。该函数申请内容空间大小的计算公式为：sze= (1< < order) 4 kB,最大可以申请 4Mbi大 小的连续内存空间即oider= 10。这里我们需要修改为 dev- > bu k_ in_buffer = _get_free_pages(_ GFP_DMA, 10),然后在对应kmalloc()函数释放内存空间的地方我们也修改为对应的内存释放函数，将 75 lin

22、e处的 k free( dev- > bulk_ in_buffer);修改 为 free_page(dev- > bulk_in_buffer);保存后输入命 令 make后生成新的 usb-ske leton ko驱动，加载后 运行应用程序发现数据传输速率为理想的20 48Mbit/s,用程序验证接收到 的数据也没有 发 现有数据丢失的现象。至此，4M bit/s大缓存的45U SB驱动开发完成。2测试及结果在 DevKit8000和 EZ-USB FX2 平台上,将 USB 驱动中dev- > bulk_ n_buffer修改为不同大小的数 值,分别为 512 bit

23、64 kB 1 MB、4M, 1 M缓存是将 order赋值为8, 4M缓存对应的order为10不同的 buffer大小都测试100次以上，取其平均值得到以下 的测试结果如表1所示。表1不同buffer对应的测试结果Bu ffer大小Bytes实际速率M bit/s理论速率Mbit/s丢失率%51215 1220 482764 K17 7820 48131M19 5320 4854M20 4820 480经测试发现buffer值的大小对数据的传输速率和数据的丢失多少有着根本的影响，从表1中可以看出驱动申请的 buffer越大则数据丢失率越小。在 buffer为1 MB的时候速度已经接近理想速度，提高 为4 M B时发现测试速度为20 48 MB与理论速度相同,并用测试程序测试收到的数据也完全是FRGA产生的循环码序列，从而验证了 4M B大缓存的 USB驱动的有效性。3结束语本文为 D ev< it8000平台下的 E乙USB FX2设计 了基于嵌入式 Linux的大容量数据传输驱动,成功解决了数据丢失与速率不够的问题，目前已用于项目开发平台。由于 Linux内核源码的开放性与USB设备的大量涌现6，在解决高速传输数据的问题上 可以为同类Linux下的USB设备驱动开发所借鉴。参考文献：1 毛德操,胡希明.Linux内核源代码情景