Linux USB驅(qū)動(dòng)框架分析（一）
初次接觸與OS相關(guān)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)編寫，感覺(jué)還挺有意思的，為了不至于忘掉看過(guò)的東西，筆記跟總結(jié)當(dāng)然不可缺，更何況我決定為嵌入式賣命了。好，言歸正傳，我
說(shuō)一說(shuō)這段時(shí)間的收獲，跟大家分享一下Linux的驅(qū)動(dòng)開發(fā)。但這次只先針對(duì)Linux的USB子系統(tǒng)作分析，因?yàn)橹芪逖杏懤习宕哓?。?dāng)然，還會(huì)順帶提一
下其他的驅(qū)動(dòng)程序?qū)懛ā?BR>
事實(shí)上，Linux的設(shè)備驅(qū)動(dòng)都遵循一個(gè)慣例——表征驅(qū)動(dòng)程序（用driver更貼切一些，應(yīng)該稱為驅(qū)動(dòng)器比較好吧）的結(jié)構(gòu)體，結(jié)構(gòu)體里面應(yīng)該包含了驅(qū)動(dòng)
程序所需要的所有資源。用OO的術(shù)語(yǔ)來(lái)說(shuō)，就是這個(gè)驅(qū)動(dòng)器對(duì)象所擁有的屬性及成員。由于Linux的內(nèi)核用c來(lái)編寫，所以我們也按照這種結(jié)構(gòu)化的思想來(lái)分
析代碼，但我還是希望從OO的角度來(lái)闡述這些細(xì)節(jié)。這個(gè)結(jié)構(gòu)體的名字有驅(qū)動(dòng)開發(fā)人員決定，比如說(shuō)，鼠標(biāo)可能有一個(gè)叫做mouse_dev的struct，
鍵盤可能由一個(gè)keyboard_dev的struct（dev for
device，我們做的只是設(shè)備驅(qū)動(dòng)）。而這次我們來(lái)分析一下Linux內(nèi)核源碼中的一個(gè)usb-skeleton（就是usb驅(qū)動(dòng)的骨架咯），自然，他
定義的設(shè)備結(jié)構(gòu)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(bǔ)充說(shuō)明一下一些USB的協(xié)議規(guī)范細(xì)節(jié)。USB能夠自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備，并調(diào)用相應(yīng)得驅(qū)
動(dòng)程序處理設(shè)備，所以其規(guī)范實(shí)際上是相當(dāng)復(fù)雜的，幸好，我們不必理會(huì)大部分細(xì)節(jié)問(wèn)題，因?yàn)長(zhǎng)inux已經(jīng)提供相應(yīng)的解決方案。就我現(xiàn)在的理解來(lái)說(shuō)，USB
的驅(qū)動(dòng)分為兩塊，一塊是USB的bus驅(qū)動(dòng)，這個(gè)東西，Linux內(nèi)核已經(jīng)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(shuō)，USB的bus驅(qū)
動(dòng)相當(dāng)于鋪出一條路來(lái)，讓所有的信息都可以通過(guò)這條USB通道到達(dá)該到的地方，這部分工作由usb_core來(lái)完成。當(dāng)設(shè)備接到USB接口
是，usb_core就檢測(cè)該設(shè)備的一些信息，例如生產(chǎn)廠商ID和產(chǎn)品的ID，或者是設(shè)備所屬的class、subclass跟protocol，以便確
定應(yīng)該調(diào)用哪一個(gè)驅(qū)動(dòng)處理該設(shè)備。里面復(fù)雜細(xì)節(jié)我們不用管，我們要做的是另一塊工作——usb的設(shè)備驅(qū)動(dòng)。也就是說(shuō)，我們就等著usb_core告訴我們
要工作了，我們才工作。對(duì)于usb規(guī)范定義的設(shè)備，他們有一個(gè)設(shè)備的框架，對(duì)于開發(fā)人員來(lái)說(shuō)，他大概如圖所示：
從開發(fā)人員的角度看，每一個(gè)usb設(shè)備有若干個(gè)配置(configuration)組成，每
個(gè)配置又可以有多個(gè)接口(interface)，每個(gè)接口又有多個(gè)設(shè)置(setting圖中沒(méi)有給出)，而接口本身可能沒(méi)有端點(diǎn)或者多個(gè)端點(diǎn)（end
point）。USB的數(shù)據(jù)交換通過(guò)端點(diǎn)來(lái)進(jìn)行，主機(jī)與各個(gè)端點(diǎn)之間建立起單向的管道來(lái)傳輸數(shù)據(jù)。而這些接口可以分為四類：
控制（control）
用于配置設(shè)備、獲取設(shè)備信息、發(fā)送命令或者獲取設(shè)備的狀態(tài)報(bào)告
中斷（interrupt）
當(dāng)USB宿主要求設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，中斷端點(diǎn)會(huì)以一個(gè)固定的速率傳送少量數(shù)據(jù)，還用于發(fā)送數(shù)據(jù)到USB設(shè)備以控制設(shè)備，一般不用于傳送大量數(shù)據(jù)。
批量（bulk）
用于大量數(shù)據(jù)的可靠傳輸，如果總線上的空間不足以發(fā)送整個(gè)批量包，它會(huì)被分割成多個(gè)包傳輸。
等時(shí)（isochronous）
大量數(shù)據(jù)的不可靠傳輸，不保證數(shù)據(jù)的到達(dá)，但保證恒定的數(shù)據(jù)流，多用于數(shù)據(jù)采集。
Linux中用struct usb_host_endpoint來(lái)描述USB端點(diǎn)，每個(gè)usb_host_endpoint中包含一個(gè)struct usb_endpoint_descriptor結(jié)構(gòu)體，當(dāng)中包含該端點(diǎn)的信息以及設(shè)備自定義的各種信息，這些信息包括：
bEndpointAddress（b for byte）
8位端點(diǎn)地址，其地址還隱藏了端點(diǎn)方向的信息（之前說(shuō)過(guò)，端點(diǎn)是單向的），可以用掩碼USB_DIR_OUT和USB_DIR_IN來(lái)確定。
bmAttributes
端點(diǎn)的類型，結(jié)合USB_ENDPOINT_XFERTYPE_MASK可以確定端點(diǎn)是USB_ENDPOINT_XFER_ISOC（等時(shí)）、USB_ENDPOINT_XFER_BULK（批量）還是USB_ENDPOINT_XFER_INT（中斷）。
wMaxPacketSize
端點(diǎn)一次處理的最大字節(jié)數(shù)。發(fā)送的BULK包可以大于這個(gè)數(shù)值，但會(huì)被分割傳送。
bInterval
如果端點(diǎn)是中斷類型，該值是端點(diǎn)的間隔設(shè)置，以毫秒為單位。
在邏輯上，一個(gè)USB設(shè)備的功能劃分是通過(guò)接口來(lái)完成的。比如說(shuō)一個(gè)USB揚(yáng)聲器，可能會(huì)包括有兩個(gè)接口：一個(gè)用于鍵盤控制，另外一個(gè)用于音頻流傳輸。而
事實(shí)上，這種設(shè)備需要用到不同的兩個(gè)驅(qū)動(dòng)程序來(lái)操作，一個(gè)控制鍵盤，一個(gè)控制音頻流。但也有例外，比如藍(lán)牙設(shè)備，要求有兩個(gè)接口，第一用于ACL跟
EVENT的傳輸，另外一個(gè)用于SCO鏈路，但兩者通過(guò)一個(gè)驅(qū)動(dòng)控制。在Linux上，接口使用struct
usb_interface來(lái)描述，以下是該結(jié)構(gòu)體中比較重要的字段：
struct usb_host_interface *altsetting（注意不是usb_interface）
其實(shí)據(jù)我理解，他應(yīng)該是每個(gè)接口的設(shè)置，雖然名字上有點(diǎn)奇怪。該字段是一個(gè)設(shè)置的數(shù)組（一個(gè)接口可以有多個(gè)設(shè)置），每個(gè)usb_host_interface都包含一套由struct usb_host_endpoint定義的端點(diǎn)配置。但這些配置次序是不定的。
unsigned num_altstting
可選設(shè)置的數(shù)量，即altsetting所指數(shù)組的元素個(gè)數(shù)。
struct usb_host_interface *cur_altsetting
當(dāng)前活動(dòng)的設(shè)置，指向altsetting數(shù)組中的一個(gè)。
int minor
當(dāng)捆綁到該接口的USB驅(qū)動(dòng)程序使用USB主設(shè)備號(hào)時(shí)，USB core分配的次設(shè)備號(hào)。僅在成功調(diào)用usb_register_dev之后才有效。
除了它可以用struct usb_host_config來(lái)描述之外，到現(xiàn)在為止，我對(duì)配置的了解不多。而整個(gè)USB設(shè)備則可以用struct usb_device來(lái)描述，但基本上只會(huì)用它來(lái)初始化函數(shù)的接口，真正用到的應(yīng)該是我們之前所提到的自定義的一個(gè)結(jié)構(gòu)體。
好，了解過(guò)USB一些規(guī)范細(xì)節(jié)之后，我們現(xiàn)在來(lái)看看Linux的驅(qū)動(dòng)框架。事實(shí)上，Linux的設(shè)備驅(qū)動(dòng)，特別是這種hotplug的USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)，會(huì)被編譯成模塊，然后在需要時(shí)掛在到內(nèi)核。要寫一個(gè)Linux的模塊并不復(fù)雜，以一個(gè)helloworld為例：
#include
#include
MODULE_LICENSE(“GPL”);
static int hello_init(void)
{
printk(KERN_ALERT “Hello World!\n”);
return 0;
}
static int hello_exit(void)
{
printk(KERN_ALERT “GOODBYE!\n”);
}
module_init(hello_init);
module_exit(hello_exit);
這個(gè)簡(jiǎn)單的程序告訴大家應(yīng)該怎么寫一個(gè)模塊，MODULE_LICENSE告訴內(nèi)核該模塊的
版權(quán)信息，很多情況下，用GPL或者BSD，或者兩個(gè)，因?yàn)橐粋€(gè)私有模塊一般很難得到社區(qū)的幫助。module_init和module_exit用于向
內(nèi)核注冊(cè)模塊的初始化函數(shù)和模塊推出函數(shù)。如程序所示，初始化函數(shù)是hello_init，而退出函數(shù)是hello_exit。
另外，要編譯一個(gè)模塊通常還需要用到內(nèi)核源碼樹種的makefile，所以模塊的Makefile可以寫成：
ifneq ($(KERNELRELEASE),)
obj-m:= hello.o#usb-dongle.o
else
KDIR:= /usr/src/linux-headers-$(shell uname -r)
BDIR:= $(shell pwd)
default:
$(MAKE) -C $(KDIR) M=$(PWD) modules
.PHONY: clean
clean:
make -C $(KDIR) M=$(BDIR) clean
endif
可以用insmod跟rmmod來(lái)驗(yàn)證模塊的掛在跟卸載，但必須用root的身份登陸命令行，用普通用戶加su或者sudo在Ubuntu上的測(cè)試是不行的。
下面我們來(lái)分析一下usb-skeleton的源碼吧。這個(gè)范例程序可以在linux-2.6.17/drivers/usb下找到，其他版本的內(nèi)核程序源碼可能有所不同，但相差不大。大家可以先找到源碼看一看，先有個(gè)整體印象。
之前已經(jīng)提到，模塊先要向內(nèi)核注冊(cè)初始化跟銷毀函數(shù)：
static int __init usb_skel_init(void)
{
int result;
/* register this driver with the USB subsystem */
result = usb_register(&skel_driver);
if (result)
err("usb_register failed. Error number %d", result);
return result;
}
static void __exit usb_skel_exit(void)
{
/* deregister this driver with the USB subsystem */
usb_deregister(&skel_driver);
}
module_init (usb_skel_init);
module_exit (usb_skel_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");
從代碼開來(lái)，這個(gè)init跟exit函數(shù)的作用只是用來(lái)注冊(cè)驅(qū)動(dòng)程序，這個(gè)描述驅(qū)動(dòng)程序的結(jié)
構(gòu)體是系統(tǒng)定義的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)struct usb_driver,注冊(cè)和注銷的方法很簡(jiǎn)單，usb_register（struct
*usb_driver）, usb_unregister（struct
*usb_driver）。那這個(gè)結(jié)構(gòu)體需要做些什么呢？他要向系統(tǒng)提供幾個(gè)函數(shù)入口，跟驅(qū)動(dòng)的名字：
static struct usb_driver skel_driver = {
.name = "skeleton",
.probe = skel_probe,
.disconnect = skel_disconnect,
.id_table = skel_table,
};
從代碼看來(lái)，usb_driver需要初始化四個(gè)東西：模塊的名字skeleton，probe函數(shù)skel_probe,disconnect函數(shù)skel_disconnect,id_table。
在解釋skel_driver各個(gè)成員之前，我們先來(lái)看看另外一個(gè)結(jié)構(gòu)體。這個(gè)結(jié)構(gòu)體的名字有開發(fā)人員自定義，它描述的是該驅(qū)動(dòng)擁有的所有資源及狀態(tài)：
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;
};
我們先來(lái)對(duì)這個(gè)usb_skel作個(gè)簡(jiǎn)單分析，他擁有一個(gè)描述usb設(shè)備的結(jié)構(gòu)體udev，一個(gè)接口interface，用于并發(fā)訪問(wèn)控制的
semaphore(信號(hào)量)
limit_sem，用于接收數(shù)據(jù)的緩沖bulk_in_buffer及其尺寸bulk_in_size，然后是批量輸入輸出端口地址
bulk_in_endpointAddr、bulk_out_endpointAddr，最后是一個(gè)內(nèi)核使用的引用計(jì)數(shù)器。他們的作用我們將在后面的代
碼中看到。
我們?cè)诨剡^(guò)頭來(lái)看看skel_driver。
Name用來(lái)告訴內(nèi)核模塊的名字是什么，這個(gè)注冊(cè)之后有系統(tǒng)來(lái)使用，跟我們關(guān)系不大。
id_table用來(lái)告訴內(nèi)核該模塊支持的設(shè)備。Usb子系統(tǒng)通過(guò)設(shè)備的
production ID和vendor
ID的組合或者設(shè)備的class、subclass跟protocol的組合來(lái)識(shí)別設(shè)備，并調(diào)用相關(guān)的驅(qū)動(dòng)程序作處理。我們可以看看這個(gè)id_table
到底是什么東西：
/* Define these values to match your devices */
#define USB_SKEL_VENDOR_ID 0xfff0
#define USB_SKEL_PRODUCT_ID 0xfff0
/* 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);
MODULE_DEVICE_TABLE的第一個(gè)參是設(shè)備的類型，如果是USB設(shè)備，那自然是usb（如果是PCI設(shè)備，那將是pci，這兩個(gè)子系統(tǒng)用同
一個(gè)宏來(lái)注冊(cè)所支持的設(shè)備。這設(shè)計(jì)PCI設(shè)備的驅(qū)動(dòng)了，在此先不深究）。后面一個(gè)參數(shù)是設(shè)備表，這個(gè)設(shè)備表的最后一個(gè)元素是空的，用于標(biāo)識(shí)結(jié)束。代碼定義
了USB_SKEL_VENDOR_ID是0xfff0，USB_SKEL_PRODUCT_ID是0xfff0，也就是說(shuō)，當(dāng)有一個(gè)設(shè)備接到集線器
時(shí)，usb子系統(tǒng)就會(huì)檢查這個(gè)設(shè)備的vendor ID和product
ID，如果它們的值是0xfff0時(shí)，那么子系統(tǒng)就會(huì)調(diào)用這個(gè)skeleton模塊作為設(shè)備的驅(qū)動(dòng)。
probe是usb子系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)用的一個(gè)函數(shù)，有USB設(shè)備接到硬件集線器時(shí)，usb子系統(tǒng)
會(huì)根據(jù)production ID和vendor
ID的組合或者設(shè)備的class、subclass跟protocol的組合來(lái)識(shí)別設(shè)備調(diào)用相應(yīng)驅(qū)動(dòng)程序的probe（探測(cè)）函數(shù)，對(duì)于skeleton
來(lái)說(shuō)，就是skel_probe。系統(tǒng)會(huì)傳遞給探測(cè)函數(shù)一個(gè)usb_interface *跟一個(gè)struct usb_device_id
*作為參數(shù)。他們分別是該USB設(shè)備的接口描述（一般會(huì)是該設(shè)備的第0號(hào)接口，該接口的默認(rèn)設(shè)置也是第0號(hào)設(shè)置）跟它的設(shè)備ID描述（包括Vendor
ID、Production ID等）。Probe函數(shù)比較長(zhǎng)，我們分段來(lái)分析這個(gè)函數(shù)：
dev->udev = usb_get_dev(interface_to_usbdev(interface));
dev->interface = interface;
在初始化了一些資源之后，我們可以看到第一個(gè)關(guān)鍵的函數(shù)調(diào)用——
interface_to_usbdev。他同uo一個(gè)usb_interface來(lái)得到該接口所在設(shè)備的設(shè)備描述結(jié)構(gòu)。本來(lái)，要得到一個(gè)
usb_device只要用interface_to_usbdev就夠了，但因?yàn)橐黾訉?duì)該usb_device的引用計(jì)數(shù)，我們應(yīng)該在做一個(gè)
usb_get_dev的操作，來(lái)增加引用計(jì)數(shù)，并在釋放設(shè)備時(shí)用usb_put_dev來(lái)減少引用計(jì)數(shù)。這里要解釋的是，該引用計(jì)數(shù)值是對(duì)該
usb_device的計(jì)數(shù)，并不是對(duì)本模塊的計(jì)數(shù)，本模塊的計(jì)數(shù)要由kref來(lái)維護(hù)。所以，probe一開始就有初始化kref。事實(shí)
上，kref_init操作不單只初始化kref，還將其置設(shè)成1。所以在出錯(cuò)處理代碼中有kref_put，它把kref的計(jì)數(shù)減1，如果kref計(jì)數(shù)
已經(jīng)為0，那么kref會(huì)被釋放。Kref_put的第二個(gè)參數(shù)是一個(gè)函數(shù)指針，指向一個(gè)清理函數(shù)。注意，該指針不能位空，或者kfree。該函數(shù)會(huì)在最
后一個(gè)對(duì)kref的引用釋放時(shí)被調(diào)用（如果我的理解不準(zhǔn)確，請(qǐng)指正）。下面是內(nèi)核源碼中的一段注釋及代碼：
/**
* kref_put - decrement refcount for object.
* @kref: object.
* @release: pointer to the function that will clean up the object when the
* last reference to the object is released.
* This pointer is required, and it is not acceptable to pass kfree
* in as this function.
*
* Decrement the refcount, and if 0, call release().
* Return 1 if the object was removed, otherwise return 0. Beware, if this
* function returns 0, you still can not count on the kref from remaining in
* memory. Only use the return value if you want to see if the kref is now
* gone, not present.
*/
int kref_put(struct kref *kref, void (*release)(struct kref *kref))
{
WARN_ON(release == NULL);
WARN_ON(release == (void (*)(struct kref *))kfree);
/*
* if current count is one, we are the last user and can release object
* right now, avoiding an atomic operation on 'refcount'
*/
if ((atomic_read(&kref->refcount) == 1) ||
(atomic_dec_and_test(&kref->refcount))) {
release(kref);
return 1;
}
return 0;
}
當(dāng)我們執(zhí)行打開操作時(shí)，我們要增加kref的計(jì)數(shù)，我們可以用kref_get，來(lái)完成。所有對(duì)struct kref的操作都有內(nèi)核代碼確保其原子性。
得到了該usb_device之后，我們要對(duì)我們自定義的usb_skel各個(gè)狀態(tài)跟資源作
初始化。這部分工作的任務(wù)主要是向usb_skel注冊(cè)該usb設(shè)備的端點(diǎn)。這里可能要補(bǔ)充以下一些關(guān)于
usb_interface_descriptor的知識(shí)，但因?yàn)閮?nèi)核源碼對(duì)該結(jié)構(gòu)體的注釋不多，所以只能靠個(gè)人猜測(cè)。在一個(gè)
usb_host_interface結(jié)構(gòu)里面有一個(gè)usb_interface_descriptor叫做desc的成員，他應(yīng)該是用于描述該
interface的一些屬性，其中bNubEndpoints一個(gè)8位（b for
byte）的數(shù)字，他代表了該接口的端點(diǎn)數(shù)。Probe然后遍歷所有的端點(diǎn)，檢查他們的類型跟方向，注冊(cè)到usb_skel中。
/* set up the endpoint information */
/* use only the first bulk-in and bulk-out endpoints */
iface_desc = interface->cur_altsetting;
for (i = 0; i desc.bNumEndpoints; ++i) {
endpoint = &iface_desc->endpoint.desc;
if (!dev->bulk_in_endpointAddr &&
((endpoint->bEndpointAddress & USB_ENDPOINT_DIR_MASK)
== USB_DIR_IN) &&
((endpoint->bmAttributes & USB_ENDPOINT_XFERTYPE_MASK)
== USB_ENDPOINT_XFER_BULK)) {
/* we found a bulk in endpoint */
buffer_size = le16_to_cpu(endpoint->wMaxPacketSize);
dev->bulk_in_size = buffer_size;
dev->bulk_in_endpointAddr = endpoint->bEndpointAddress;
dev->bulk_in_buffer = kmalloc(buffer_size, GFP_KERNEL);
if (!dev->bulk_in_buffer) {
err("Could not allocate bulk_in_buffer");
goto error;
}
}
if (!dev->bulk_out_endpointAddr &&
((endpoint->bEndpointAddress & USB_ENDPOINT_DIR_MASK)
== USB_DIR_OUT) &&
((endpoint->bmAttributes & USB_ENDPOINT_XFERTYPE_MASK)
== USB_ENDPOINT_XFER_BULK)) {
/* we found a bulk out endpoint */
dev->bulk_out_endpointAddr = endpoint->bEndpointAddress;
}
}
if (!(dev->bulk_in_endpointAddr && dev->bulk_out_endpointAddr)) {
err("Could not find both bulk-in and bulk-out endpoints");
goto error;
}
接下來(lái)的工作是向系統(tǒng)注冊(cè)一些以后會(huì)用的的信息。首先我們來(lái)說(shuō)明一下usb-
set_intfdata()，他向內(nèi)核注冊(cè)一個(gè)data，這個(gè)data結(jié)構(gòu)可以是任意的，在這段程序用向內(nèi)核注冊(cè)了一個(gè)usb_skel結(jié)構(gòu)，就是我們
剛剛看到的被初始化的那個(gè)，這個(gè)data可以在以后用usb_get_intfdata來(lái)得到。
usb_set_intfdata(interface, dev);
retval = usb_register_dev(interface, &skel_class);
然后我們向這個(gè)interface注冊(cè)一個(gè)skel_class結(jié)構(gòu)。這個(gè)結(jié)構(gòu)又是什么？我們就來(lái)看看這到底是個(gè)什么東西：
static struct usb_class_driver skel_class = {
.name = "skel%d",
.fops = &skel_fops,
.minor_base = USB_SKEL_MINOR_BASE,
};
它其實(shí)是一個(gè)系統(tǒng)定義的結(jié)構(gòu)，里面包含了一名字、一個(gè)文件操作結(jié)構(gòu)體還有一個(gè)次設(shè)備號(hào)的基準(zhǔn)
值。事實(shí)上它定義真正完成對(duì)設(shè)備IO操作的函數(shù)。所以他的核心內(nèi)容應(yīng)該是skel_fops。這里補(bǔ)充一些我個(gè)人的估計(jì)：因?yàn)閡sb設(shè)備可以有多個(gè)
interface，每個(gè)interface所定義的IO操作可能不一樣，所以想系統(tǒng)注冊(cè)的usb_class_driver要求注冊(cè)到某一個(gè)
interface，因此usb_register_dev的第一個(gè)參數(shù)是interface，而第二個(gè)參數(shù)就是某一個(gè)
usb_class_driver。通常情況下，linux系統(tǒng)用主設(shè)備好來(lái)識(shí)別某類設(shè)備的的驅(qū)動(dòng)程序，用次設(shè)備號(hào)管理識(shí)別具體的設(shè)備，驅(qū)動(dòng)程序可以依照
次設(shè)備好來(lái)區(qū)分不同的設(shè)備，所以，這里的次設(shè)備好其實(shí)是用來(lái)管理不同的interface的，但由于這個(gè)范例只有一個(gè)interface，在代碼上無(wú)法求
證這個(gè)猜想。
static struct file_operations skel_fops = {
.owner = THIS_MODULE,
.read = skel_read,
.write = skel_write,
.open = skel_open,
.release = skel_release,
};
這個(gè)文件操作結(jié)構(gòu)中定義了對(duì)設(shè)備的讀寫、打開釋放（USB設(shè)備通常使用這個(gè)術(shù)語(yǔ)release）。他們都是函數(shù)指針，分別指向skel_read、skel_write、skel_open、skel_release這四個(gè)函數(shù)，這四個(gè)函數(shù)應(yīng)該有開發(fā)人員自己實(shí)現(xiàn)。
當(dāng)設(shè)備被拔出集線器時(shí)，usb子系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)地調(diào)用disconnect，他做的事情不多，最重要的是注銷class_driver（交還次設(shè)備號(hào)）和interface的data:
dev = usb_get_intfdata(interface);
usb_set_intfdata(interface, NULL);
/* give back our minor */
usb_deregister_dev(interface, &skel_class);
然后他會(huì)用kref_put(&dev->kref, skel_delete)進(jìn)行清理，kref_put的細(xì)節(jié)參見前文。
到目前為止，我們已經(jīng)分析完usb子系統(tǒng)要求的各個(gè)主要操作，下一部分我們?cè)谟懻撘幌聦?duì)USB設(shè)備的IO操作。
說(shuō)的usb子系統(tǒng)的IO操作，不得不說(shuō)usb request
block，簡(jiǎn)稱urb。事實(shí)上，可以打一個(gè)這樣的比喻，usb總線就像一條高速公路，貨物、人流之類的可以看成是系統(tǒng)與設(shè)備交互的數(shù)據(jù)，而urb就可以
看成是交通工具。在一開始對(duì)USB規(guī)范細(xì)節(jié)的介紹，我們就說(shuō)過(guò)USB的endpoint有4種不同類型，于是能在這條高速公路上流動(dòng)的數(shù)據(jù)也就有四種。但
對(duì)車是沒(méi)有要求的，urb可以運(yùn)載四種數(shù)據(jù)，不過(guò)你要先告訴司機(jī)你要運(yùn)什么，目的地是什么。我們現(xiàn)在就看看struct
urb的具體內(nèi)容。它的內(nèi)容很多，為了不讓我的理解誤導(dǎo)各位，大家最好還是看一看內(nèi)核源碼的注釋，具體內(nèi)容參見源碼樹下include/linux
/usb.h。
在這里我們重點(diǎn)介紹程序中出現(xiàn)的幾個(gè)關(guān)鍵字段：
struct usb_device *dev
urb所發(fā)送的目標(biāo)設(shè)備。
unsigned int pipe
一個(gè)管道號(hào)碼，該管道記錄了目標(biāo)設(shè)備的端點(diǎn)以及管道的類型。每個(gè)管道只有一種類型和一個(gè)方向，它與他的目標(biāo)設(shè)備的端點(diǎn)向?qū)?yīng)，我們可以通過(guò)以下幾個(gè)函數(shù)來(lái)獲得管道號(hào)并設(shè)置管道類型：
unsigned int usb_sndctrlpipe(struct usb_device *dev, unsigned int endpoint)
把指定USB設(shè)備指定端點(diǎn)設(shè)置為一個(gè)控制OUT端點(diǎn)。
unsigned int usb_rcvctrlpipe(struct usb_device *dev, unsigned int endpoint)
把指定USB設(shè)備指定端點(diǎn)設(shè)置為一個(gè)控制IN端點(diǎn)。
unsigned int usb_sndbulkpipe(struct usb_device *dev, unsigned int endpoint)
把指定USB設(shè)備指定端點(diǎn)設(shè)置為一個(gè)批量OUT端點(diǎn)。
unsigned int usb_rcvbulkpipe(struct usb_device *dev, unsigned int endpoint)
把指定USB設(shè)備指定端點(diǎn)設(shè)置為一個(gè)批量OUT端點(diǎn)。
unsigned int usb_sndintpipe(struct usb_device *dev, unsigned int endpoint)
把指定USB設(shè)備指定端點(diǎn)設(shè)置為一個(gè)中斷OUT端點(diǎn)。
unsigned int usb_rcvintpipe(struct usb_device *dev, unsigned int endpoint)
把指定USB設(shè)備指定端點(diǎn)設(shè)置為一個(gè)中斷OUT端點(diǎn)。
unsigned int usb_sndisocpipe(struct usb_device *dev, unsigned int endpoint)
把指定USB設(shè)備指定端點(diǎn)設(shè)置為一個(gè)等時(shí)OUT端點(diǎn)。
unsigned int usb_rcvisocpipe(struct usb_device *dev, unsigned int endpoint)
把指定USB設(shè)備指定端點(diǎn)設(shè)置為一個(gè)等時(shí)OUT端點(diǎn)。
unsigned int transfer_flags
當(dāng)不使用DMA時(shí)，應(yīng)該transfer_flags |= URB_NO_TRANSFER_DMA_MAP（按照代碼的理解，希望沒(méi)有錯(cuò)）。
Int status
當(dāng)一個(gè)urb把數(shù)據(jù)送到設(shè)備時(shí)，這個(gè)urb會(huì)由系統(tǒng)返回給驅(qū)動(dòng)程序，并調(diào)用驅(qū)動(dòng)程序的urb完成回調(diào)函數(shù)處理。這時(shí)，status記錄了這次數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠嘘P(guān)狀態(tài)，例如傳送成功與否。成功的話會(huì)是0。
要能夠運(yùn)貨當(dāng)然首先要有車，所以第一步當(dāng)然要?jiǎng)?chuàng)建urb：
struct urb *usb_alloc_urb(int isoc_packets, int mem_flags);
第一個(gè)參數(shù)是等時(shí)包的數(shù)量，如果不是乘載等時(shí)包，應(yīng)該為0，第二個(gè)參數(shù)與kmalloc的標(biāo)志相同。
要釋放一個(gè)urb可以用：
void usb_free_urb(struct urb *urb);
要承載數(shù)據(jù)，還要告訴司機(jī)目的地信息跟要運(yùn)的貨物，對(duì)于不同的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)提供了不同的函數(shù)，對(duì)于中斷urb，我們用
void usb_fill_int_urb(struct urb *urb, struct usb_device *dev, unsigned int pipe,
void *transfer_buffer, int buffer_length,
usb_complete_t complete, void *context, int interval);
這里要解釋一下，transfer_buffer是一要送/收的數(shù)據(jù)的緩沖，buffer_length是它的長(zhǎng)度，complete是urb完成回調(diào)函數(shù)的入口，context有用戶定義，可能會(huì)在回調(diào)函數(shù)中使用的數(shù)據(jù)，interval就是urb被調(diào)度的間隔。
對(duì)于批量urb和控制urb，我們用:
void usb_fill_bulk_urb(struct urb *urb, struct usb_device *dev, unsigned int pipe,
void *transfer_buffer, int buffer_length, usb_complete_t complete,
void *context);
void usb_fill_bulk_urb(struct urb *urb, struct usb_device *dev, unsigned int pipe,
unsigned char* setup_packet,void *transfer_buffer,
int buffer_length, usb_complete_t complete,void *context);
控制包有一個(gè)特殊參數(shù)setup_packet，它指向即將被發(fā)送到端點(diǎn)的設(shè)置數(shù)據(jù)報(bào)的數(shù)據(jù)。
對(duì)于等時(shí)urb，系統(tǒng)沒(méi)有專門的fill函數(shù)，只能對(duì)各urb字段顯示賦值。
有了汽車，有了司機(jī)，下一步就是要開始運(yùn)貨了，我們可以用下面的函數(shù)來(lái)提交urb
int usb_submit_urb(struct urb *urb, int mem_flags);
mem_flags有幾種：GFP_ATOMIC、GFP_NOIO、GFP_KERNEL，通常在中斷上下文環(huán)境我們會(huì)用GFP_ATOMIC。
當(dāng)我們的卡車運(yùn)貨之后，系統(tǒng)會(huì)把它調(diào)回來(lái)，并調(diào)用urb完成回調(diào)函數(shù)，并把這輛車作為函數(shù)傳遞給驅(qū)動(dòng)程序。我們應(yīng)該在回調(diào)函數(shù)里面檢查status字段，以確定數(shù)據(jù)的成功傳輸與否。下面是用urb來(lái)傳送數(shù)據(jù)的細(xì)節(jié)。
/* initialize the urb properly */
usb_fill_bulk_urb(urb, dev->udev,
usb_sndbulkpipe(dev->udev, dev->bulk_out_endpointAddr),
buf, writesize, skel_write_bulk_callback, dev);
urb->transfer_flags |= URB_NO_TRANSFER_DMA_MAP;
/* send the data out the bulk port */
retval = usb_submit_urb(urb, GFP_KERNEL);
這里skel_write_bulk_callback就是一個(gè)完成回調(diào)函數(shù)，而他做的主要事情就是檢查數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)和釋放urb：
dev = (struct usb_skel *)urb->context;
/* sync/async unlink faults aren't errors */
if (urb->status &&
!(urb->status == -ENOENT ||
urb->status == -ECONNRESET ||
urb->status == -ESHUTDOWN)) {
dbg("%s - nonzero write bulk status received: %d",
__FUNCTION__, urb->status);
}
/* free up our allocated buffer */
usb_buffer_free(urb->dev, urb->transfer_buffer_length,
urb->transfer_buffer, urb->transfer_dma);
事實(shí)上，如果數(shù)據(jù)的量不大，那么可以不一定用卡車來(lái)運(yùn)貨，系統(tǒng)還提供了一種不用urb的傳輸方式，而usb-skeleton的讀操作正是采用這種方式實(shí)現(xiàn)：
/* do a blocking bulk read to get data from the device */
retval = usb_bulk_msg(dev->udev,
usb_rcvbulkpipe(dev->udev, dev->bulk_in_endpointAddr),
dev->bulk_in_buffer,
min(dev->bulk_in_size, count),
&bytes_read, 10000);
/* if the read was successful, copy the data to userspace */
if (!retval) {
if (copy_to_user(buffer, dev->bulk_in_buffer, bytes_read))
retval = -EFAULT;
else
retval = bytes_read;
}
程序使用了usb_bulk_msg來(lái)傳送數(shù)據(jù)，它的原型如下：
int usb_bulk_msg(struct usb_device *usb_dev, unsigned int pipe,void *data,
int len, int *actual length, int timeout)
這個(gè)函數(shù)會(huì)阻塞等待數(shù)據(jù)傳輸完成或者等到超時(shí)，data是輸入/輸出緩沖，len是它的大小，actual length是實(shí)際傳送的數(shù)據(jù)大小，timeout是阻塞超時(shí)。
對(duì)于控制數(shù)據(jù)，系統(tǒng)提供了另外一個(gè)函數(shù)，他的原型是：
Int usb_contrl_msg(struct usb_device *dev, unsigned int pipe, __u8 request,
__u8 requesttype, __u16 value, __u16 index, void *data,
__u16 size, int timeout);
Request是控制消息的USB請(qǐng)求值、requesttype是控制消息的USB請(qǐng)求類型，value是控制消息的USB消息值，index是控制消息的USB消息索引。具體是什么，暫時(shí)不是很清楚，希望大家提供說(shuō)明。
至此，Linux下的USB驅(qū)動(dòng)框架分析基本完成了。
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