嵌入式Linux下USBGadget驱动框架研究_图文

1、Dec 12006 Vol 124, No . 6航 天 控 制 Aer os pace Contr ol嵌入式 L i n ux 下 USB Gadget 驱动框架研究3李传伟 胡金春清华大学智能技术与系统国家重点实验室 , 北京 100084 摘 要 为更好地应用嵌入式 L inux 系统下的 US B , 介绍了 US B 的相关概念及其设备驱动模型 US 构 , 以 Ethernet Gadget 驱动程序的整体思路 , 最后总结了 US B 。 关键词 L Gadget 驱动框架 设备驱动程序 . 89文献标识码 :A 10063242(2006 0620051205Study on

2、 USB Gadget D r i ver Fram ework i n Em bedded L i n uxL i Chuan wei Hu J inchunState Key Laborat ory of I ntelligent Technol ogy and Syste m s,Tsinghua University, Beijing 100084, ChinaAbstract To apply the US B Gadget driver F ram e w ork in e m bedded L inux syste m m uch better , US B basickno w

3、 ledge and its d riverm odel a re introduced, then the m ain data structures of Gadget d river are analyzed . A s a result, w riting Gadget driver HOW 2TO is de m onstrated by the E thernet Gadget driver . The li m itations of this fram e w ork are poin ted out and i m prove m ents are m ade finally

4、 .Key words L inux syste m US B Gadget driver fram e w ork D evice driver 3973资助项目 (51323010323 收稿日期 :2006205216作者简介 :李传伟 (1980- , 男 , 河南通许人 , 硕士研究生 , 主要研究方向为嵌入式系统 ; 胡金春 (1972- , 男 , 江苏淮 安人 , 副教授 , 主要研究方向为飞行控制 、 信号处理等 。1 引 言通用串行总线 (US B 是主机和外设之间一种重要的连接方式 , 它以单一类型总线连接各式各样的 设备 , 接口简单统一 、 支持热插拔 、 易于安装和

5、扩展 , 最多可连接 127个外设 , 目前 US B2. 0版本最高速 率可以达到 480Mbp s 。由于其众多优点 , US B 成为 主机与外设进行数据交换的必备接口 。L inux 以其开源 、 易于移植和可裁剪性 , 越来越多地被应用于嵌入式系统 。 L inux 内核支持 2种主要类型的 US B 驱动程序 :主机侧和设备侧驱动程 序 。 主机侧 US B 驱动程序 (US B Device D river 控制 与其连接的 US B 设备从而使用设备的功能 ; 设备侧 US B 驱动程序 (US B Gadget D river 控制设备如何与主机通信从而使其对主机表现出特定的

6、功能 1, 此 时的设备应理解为运行 L inux 的嵌入式系统 。迄今 为止对于 L inux 系统中 US B 设备驱动开发的研究非 常丰富 , 但是主要讨论主机侧驱动程序的实现机制 , 本文将着重分析设备侧 US B Gadget 驱动框架 。 15航 天 控 制 2006年2 USB 总线数据交换特点US B 采用树形拓扑结构 。主机侧和设备侧的 US B 控制器分别称为主机控制器 (Host Contr oller 和 US B 设备控制器 (UDC , 每条总线上只有一个主机控制器 , 负责协调主机和设备间的通信 , 而设备不 能主动向主机发送任何消息 。主机控制器通过 UDC 的

7、端点 (Endpoint 与设 备进行通信 , 端点由端点号和传输方向确定 , 仅能单 向传输数据 。 US B 端点有 4种类型 , 分别对应 数据传输方式 : 控制 (Contr ol :, 种可靠 、 批量 (Bulk :, 但时 间要求不严格 。中断 (I nterrup t :以固定速率传送少量数据 。 等时 (Is ochr onous :以恒定速率实时传输数据 流 , 但对正确性并无要求 。其中 0号端点是所有 US B 设备的缺省端点 , 支 持控制传输 。 在设备连接到 US B 总线 、 被供电并接 收到总线复位信号之后 , 主机侧驱动程序通过 0号 端点初始化并操纵 US

8、 B 设备 。在 US B 协议中 , 接口 (I nterface 由多个端点组 成 , 代表一个基本的功能 , 是 US B 设备驱动程序控 制的对象 , 一个功能复杂的 US B 设备可以具有多个 接口 。 配置 (Configurati on 是更高层的逻辑概念 , 由 多个接口组成 , 一个 US B 设备可以具有多个配置 ,不同的配置使设备表现出不同的功能组合 2。 US B 设备的逻辑组织如图 1所示。 图 1 US B 设备逻辑组织3 L i n ux 下 USB 驱动的整体框架L inux 对主机侧和设备侧 US B 驱动程序的开发都提供了良好的支持 , 整体框架如图 2所示

9、 。在主 机侧 , L inux 内核 US B Core 子系统负责 US B 驱动管 理和协议处理的主要工作 US B Core 子系统功能 包括 :、 宏和功能函数 , 向上 , US B 主机控制器 完成设备热插拔控制 、 总线数据传输3。图 2 L inux 下 US B 设备驱动整体框架L inux 内核中 US B 设备侧驱动程序分为 3个层次 :UDC 驱动程序 、 Gadget AP I 和 Gadget 驱动程序 。 UDC 驱动程序直接访问硬件 , 控制 US B 设备和主机间的底层通信 , 向上层提供与硬件相关操作的回调 函数 。 当前 Gadget AP I 是 UD

10、C 驱动程序回调函数 的简单包装 。 Gadget 驱动程序具体控制 US B 设备 功能的实现 , 使设备表现出“ 网络连接 ” 、 “ 打印机 ” 或 “ US B Mass St orage ” 等特性 , 它使用 Gadget AP I 控 制 UDC 实现上 述 功 能4。 Gadget AP I 把 下 层 的UDC 驱动程序和上层的 Gadget 驱动程序隔离开 , 使得在 L inux 系统中编写 US B 设备侧驱动程序时能够 把功能的实现和底层通信分离 。4 Gadget 驱动框架分析L inux 系统中 Gadget 驱动程序框架见图 3。设备侧驱动程序使用 struct

11、 usb_gadget描述 UDC, 使用 struct usb_ep描述端点 , Gadget AP I 通过这 2个结构实现对 UDC 硬件的抽象 。struct usb_gadgetconst struct usb_gadget_ops op s; /3UDC 操作函数集指针 3/25第 24卷 第 6期 李传伟等 :嵌入式 L inux 下 US B Gadget 驱动框架研究 struct usb_ep 3ep0; /30端点指针 3/struct list_head ep_list;/3其他端点链表 3/struct device dev;/3用于 L inux 驱动模型 , 暂不

12、讨论 3/3省略一些属性域 3/;struct usb_ep const struct usb_ep_ops 3op s; /3端点操作函数集指针 3/struct list_headep_list;/3/ ;struct usb_gadget_ops 是 UDC 操作函数集 , 参见图 3, 函数的主要功能为 :返回 UDC 当前数据帧 、 唤 醒与设备相连接的主机 、 设置或清除设备自供电特 征 、 UDC 电源管理等 。struct usb_ep_ops 是 UDC 端点操作函数集 , 参 见图 3, 函数的主要功能为 :配置端点是否可用 、 为 端点分配或释放缓冲区 、 为端点分配或释

13、放请求对 象 、 向端点提交或取消一个特定请求 、 设置端点的停 止特征等 。设备侧驱动程序使用 struct usb_request描述一 个 I/O请求 , 与主机侧的 URB (US B Request B l ocks 结构类似 :struct usb_requestvoid buf; /3数据缓冲区 3/unsigned length; /3数据长度 3/void (3comp lete (struct usb_ep3ep, struct usb_request3req ;/3usb_request被处理后的回调函数 3/struct list_head list;/3用于将 usb

14、_request组织成链表 3/int status;/3usb_request请求的状态 3/ ;编写 UDC 驱动程序的主要任务就是配置 struct usb_gadget结构 、 实现 struct usb_ep_ops 和 struct usb _gadget_ops 相关的函数。图 3 Gadget 驱动框架Gadget AP I 层为 Gadget 驱动程序开发定义了一组接口函数 , 和主机侧的 US B Core 地位类似 , 但功 能仅限于向上提供编程接口 , 这些接口基本上是对 上述 UDC 操作函数和端点操作函数的包装 , 分别是 usb_gadget _3和 usb _e

15、p _35。比 较 特 殊 的 是Gadget 驱动程序注册函数 usb_gadget_register_driv2er, 它由 UDC 驱动程序直接提供 , 用于将 Gadget 驱动程序绑定到 UDC (usb_gadget 。Gadget 驱动程序使用结构 struct usb _gadget_driver 描述 :struct usb_gadget_driverenu m usb_device_speed s peed; /3设备最高速度 3/int (3bind (struct usb_gadget3 ; /3将驱动与设备绑定 3/int (3setup (struct usb_ga

16、dget3, const struct usb_ctrlrequest3 ;void (3sus pend (struct usb_gadget3 ; struct device_driverdriver; ;函数 bind 负责完成 Gadget 驱动和下层设备控 制器的关联 , 并开启设备的功能 。 Gadget 驱动通过 上述 Gadget AP I usb_gadget_register_driver注册自己 对应的 usb_gadget_driver结构 , 而 usb_gadget_regis 2ter_driver函数是 UDC 驱动程序的重要组成部分 , 它调用参数 usb_g

17、adget_driver的 bind 函数 , 把 Gadget 驱动程序和 UDC 描述结构绑定在一起 。 Xxx_udc_35航 天 控 制 2006年irq 是 UDC 设备的中断处理函数 , 它处理设备及其 端点的中断请求 , 并调用各个端点上已完成传输请求 usb_request的回调函数 comp lete 。以下以 Ethernet Gadget 驱动程序为例展示编写 Gadget 驱动的要点 。5 Ethernet Gadget 驱动程序Ethernet Gadget 驱动程序使主机和 US B 设备可以通过 US B 总线实现 Ethernet 互连 。 L inux 主机侧

18、 的驱 动 属 于 Co mmunicati ons Device Class (W indo ws 主机侧的驱动遵循 RND I S 侧 , L inux Ethernet Gadget 为了简化讨论 , 系统的 情况 。, 两侧的驱动程序分别虚拟 出一个以太网络设备 , 主机和设备即可通过虚拟网 络设备建立连接 , 如图 4所示。 图 4 Ethernet Gadget 虚拟网络层次关系在 Ethernet Gadget 驱动程序中 , 使用自定义结 构 struct eth_dev完整地描述 Ethernet Gadget 设备 :struct eth_devstruct usb_gad

19、getgadget; /3Gadget 绑定的 UDC 3/struct usb_request3req;struct usb_ep3in_ep,3out_ep,3status_ep;struct list_headtx_reqs,rx_reqs;/3发送和接收请求 usb_request链表 3/struct net_device3net; /3网络设备描述结构 3/u8host_macET H_ALEN;/3网络设备 MAC 地址 3/ ;Ethernet Gadget 驱动程序被配置为 :static struct usb_gadget_drivereth_driver=. bind =

20、eth_bind,. setup =eth_setup,. sus pend =eth_suspend,;Gadget 驱 动 程 序 模 块 的 init 函 数 调 用 usb _gadget_register_driver( 完成驱动注册 。 函数调用 eth Gadget 驱动程Gadget 设备描述 并注册网络设备驱动程序 , 同时将 驱动程序 (usb_gadget_driver 和 UDC 描述结 构 (usb_gadget 关联起来 。int eth_bind(struct usb_gadget3gadget struct eth_dev3dev; struct net_dev

21、ice3net; struct usb_ep 3ep;net =all oc_etherdev(sizeof 3dev ; dev =net p riv; dev net =net;net hard_start_xm it =eth_start_xm it;net open =eth_open;net do_ioctl =eth_ioctl;/3为网络设备描述结构和 Gadget 设备描述结构分配内存并进行相关配置 3/dev gadget =gadget; set_gadget_data(gadget, dev ; gadget ep0 driver_data=dev; /3将 Gadget

22、 驱动和 UDC 描述结构绑定 3/register_netdev(dev net ; /3注册网络设备驱动程序 3/eth_start_xm it 是网络设备驱动程序的数据发送函数 , 它将从内核接收到的套接字缓冲区 struct sk_buff 3skb 中的数据组织成 US B 协议下的 struct usb _request,通过 Gadget AP I usb_ep_queue发送出去 。int eth_start_xm it (struct sk_buff3skb, struct net_device3net 45第 24卷 第 6期 李传伟等 :嵌入式 L inux 下 US B

23、 Gadget 驱动框架研究struct eth _dev 3dev =(struct eth _dev 3 net p riv;struct usb_request3req =NULL;req =container_of(dev tx_reqs . next, struct usb_request,list ;list_del(&req list ;req buf =skb data;req context =skb;req comp lete =tx_comp lete;/3数据发送完成后由 UDC数调用 co mp lete 函数 ,req, GFP_ATOM 2 I C ;/3向 I

24、N 端点提交数据发送请求 3/eth_open( 是网络设备的 open 函数 , 它调用 rx _submit 函数开始等待接收 US B 主机发送的数据 。 rx_subm it 为请求 usb_request分配接收缓冲区 , 并把 缓冲区组织成 struct sk_buff的形式 , 然后向 OUT 端 点 (主机 设备 提交接收请求 。int rx_subm it (struct eth _dev3dev, struct usb _re 2 quest 3req, int gf p_flagsstruct sk_buff3skb;size_tsize;size =(sizeof (s

25、truct ethhdr +dev net m tu +RX_EXTRA ;size +=dev out_ep maxpacket-1; size -=size %dev out_ep maxpacket;skb =all oc_skb(size, gfp_flags ;/3分配 struct sk_buff作为 struct usb_request的 接收缓冲区 3/req buf =skb data;req length =size;req comp lete =rx_complete;/3设置数据接收完成时的回调函数 3/req context =skb;usb_ep_queue(dev

26、 out_ep,req, gfp_flags ; 接收完成后即可通过 netif_rx ( 通知网络子系 统读取数据 , 这一工作是在回调函数 rx_complete 中 完成的 。void rx_complete (struct usb_ep3ep, struct usb_re 2 quest 3req struct sk_buff3skb =req context;struct eth_dev3dev ep driver_data;dev net;ocol =eth_type_trans(skb, dev ;/3将接收缓冲区配置为 struct sk_buff结构 3/ status =n

27、etif_rx(skb ;/3通知网络子系统读取接收到的数据 3/if (req rx_submit (dev, req, GFP_ATOM I C ;/3把刚完成的 usb_request 再次提交给特定端 点 , 以便不断地接收 US B 主机发送的数据 3/ 6 Gadget 驱动框架的不足与改进Gadget 框架是在 2. 4. 23版内核中才引入的 , 现 在仍不十分完善 。从整体上看 , 框架使用 struct usb _gadget描述 UDC 及其驱动程序 , 使用 struct usb _ gadget_driver 描述 Gadget 驱动 程序 , 通过 Gadget A

28、P I 为 Gadget 驱动提供编程接口并将其和 UDC 驱 动隔离 。 这种层次关系和主机侧 US B 驱动框架基 本相同 , Gadget AP I 层和主机侧的 US B Core 地位类 似 , 但仅对 UDC 驱动程序操作函数进行了简单的包 装 。 Gadget AP I 层并没有真正使 UDC 驱动程序和 Gadget 驱动程序隔离 , 无论在关键的描述结构上还 是在接口函数上都存在耦合 。首先 , struct usb_gadget_driver结构直接依赖于 struct usb_gadget结构的定义 , 这导致上层种类繁多 的 Gadget 驱动程序直接依赖于下层 UDC

29、 驱动程序 的模型 , UDC 驱动模型的改变必然要求 Gadget 驱动 程序大规模改写 。这使 Gadget AP I 的存在失去其 主要意义 。其 次 , Gadget 驱 动程 序注册 函数 usb _gadget_ (下转第 60页 5 560 Environment ( GATE A . 2005. I N GNSS 2005. O 航 天 控 制 Sep t . GPS/ GNSS 2003, Sep t 2003: 1953 1964. . 2006 年 6 Dellago R , Piep lu J M , Stalford R. The Galileo System A r

30、chitecture at the End of the Design Phase A . GPS/ GNSS 2003, Sep t 2003: 978 990. . 7 廖春发 . 2004 年欧洲伽利略计划的若干重要进展 J . I N O 4 B lomenhofer H , Ehret W , Leonard A , B lomenhofer E. GNSS/ Galileo Global and Regional Integrity Performance Analysis A . 2168. 5 Ganguly S, Jovancevic A , B rown A. Open A

31、 rchitecture Development System for GPS and Galileo A . I N O I N GNSS 17 th International Technical O M eeting of the Satellite D ivision, Sep t 2004: 2158 . 中国航天 , 2005 ( 3 : 29 30. 8 石卫平 . 国外卫星导航定位技术发展现状与趋势 J . 航天控制 , 2004 , 22 (4 : 30 35. (上接第 55 页 register_driver直接由 UDC 驱动程序导出 , 使得下层 UDC 驱动程序直接

32、依赖于上层的 Gadget驱动模型 . 7 结语 L inux系统中 USB Gadget驱动程序建立在 UDC 同时也意味着在 L inux设备侧驱动框架下每个 USB 设备只能有一个 UDC,虽然这能够满足当前大多数 设备的要求 ,但从发展的角度看 ,并不明智 . 为解决上述问题 ,减少 UDC 驱动程序和 Gadget 驱动程序之间的耦合 , 增强对复杂 USB 设备的支 持 ,需要对 Gadget驱动程序框架进行如下改进 : ( 1 将 Gadget AP I扩充为 Gadget Core 子系统 , 其功能包括 UDC 驱动和 Gadget 驱动的注册与管 理, 为编写 UDC 驱动和 Gadget驱动提供 AP I等 . ( 2 改写 struct usb_gadget_driver和 struct usb_ gadget使其仅依赖于 Gadget Core 子系统 . ( 3 依照 USB 协议 ,为 Gadget Core 子系统定义 标准的接口和配置描述结构 , 并提供管理和操纵这 些结构的 AP I . ( 4 在改进后的 Gadget驱动框架中 , Gadget驱 动程序仅依赖于其下层 Gadget Core 子系统 , UDC 驱 动程序仅向其上层 Gadget Core 子