基于AT91RM9200的USB主機端Linux驅動
[導讀]通用串行總線(usb)是一種新興的計算機外圍串行通信接口標準，它克服傳統(tǒng)計算機串／并口的缺陷，具有熱插拔、即插即用、數(shù)據(jù)傳輸可靠、擴展方便、低成本等優(yōu)點，已成為當前計算機必備的接口之一，同時也被廣泛地應用與
通用串行總線(usb)是一種新興的計算機外圍串行通信接口標準，它克服傳統(tǒng)計算機串／并口的缺陷，具有熱插拔、即插即用、數(shù)據(jù)傳輸可靠、擴展方便、低成本等優(yōu)點，已成為當前計算機必備的接口之一，同時也被廣泛地應用與嵌入式系統(tǒng)設計中。本文著重介紹嵌入式linux中的usb主機端驅動。其硬件平臺是at91rm9200處理器系統(tǒng)，軟件平臺是linux-2.6.19.2內(nèi)核。
1 at91rm9200 usb主機端接口硬件構成
at91rm9200處理器是atmel公司一款比較流行的微型處理器，它具有arm920t內(nèi)核(帶有mmu)，主時鐘頻率可達240 mhz，很適合嵌入式系統(tǒng)應用，它同時具有usb主機端和設備端，其中主機端處理開hci協(xié)議(ohci)及usb v2.0全速與低速協(xié)議，還給asb提供簡單的讀／寫協(xié)議，usb主機端口還集成1個根集線器，硬件結構如圖1所示。
2 linux usb主機端驅動
linux在1999年就在其核心內(nèi)嵌入了usb驅動程序。理解linux的usb主機端驅動結構和原理，對在linux系統(tǒng)上開發(fā)usb設備端驅動程序，以及進一步理解usb協(xié)議有著很重要的意義。下面基于內(nèi)核版本2.6.19.2分析linux usb的主機端驅動。
linux usb主機端驅動主要分為：主機控制器驅動、usb核心驅動和usb設備端驅動3個部分，它們之間的層次關系如圖2所示。
在linux內(nèi)核中關于usb的代碼主要由2個部分構成：板級支持代碼和usb驅動代碼。其中板極支持代碼主要分布在與處理器有關的目錄里，如：／arch／arm／mach-at91rm9200目錄。usb驅動代碼主要集中在／drivers／usb目錄里，主要包括usb核心驅動，主機控制器驅動，從機端驅動，各類設備端驅動程序。其中在atmel的板極支持代碼／arch／arm／mach-at91rm9200／devices.c中包括usb主機端和從機端資源的數(shù)據(jù)結構at91_usbh_re-sources，at91_udc_resources，平臺設備數(shù)據(jù)結構 at91rm9200_usbh_device，at91rm9200_udc_device，以及設備注冊函數(shù) at91_add_device_usbh()，at91_add_device_udc()，這2個函數(shù)在板極初始化函數(shù)中被調(diào)用，向內(nèi)核添加usb主機設備和從機設備。usb驅動的核心代碼是在／drivers／usb／core目錄里，主要的作用是管理設備端驅動程序、控制協(xié)議命令集、管理數(shù)據(jù)傳輸、配置和管理usb設備、管理主機控制器。usb核心啟動代碼在目錄／drivers／usb／core／usb.c中，具體的步驟如圖3所示。
usb核心啟動以后的結果是：注冊1條總線“usb”，1個文件系統(tǒng)“usbfs”，創(chuàng)建2個設備類“usb_host”， “usb_device”，創(chuàng)建了許多的字符設備節(jié)點，分別是主設備號為180，從設備號是0～255，主設備號為189，從設備號為0～64×128，注冊3個驅動程序：“usbfs”,“hub”，“usb”。創(chuàng)建一個內(nèi)核線程“khubd”，pid=40，一旦有usb設備接入，這個內(nèi)核線程就能捕捉到，并調(diào)用相應的驅動探測函數(shù)。這些內(nèi)容在系統(tǒng)啟動以后根文件系統(tǒng)的／sys或／proc相關目錄下可以找到。linux usb主機端驅動涉及的主要數(shù)據(jù)結構有：
usb_driver：usb接口驅動程序結構體；
usb_device_driver：usb設備驅動程序結構體；
usb_bus：usb總線結構體；
usb_device：usb設備結構體；
urb：usb請求結構體。
在每個usb設備驅動程序里都有1個設備表usb_device_id，用來保存此設備驅動程序所支持的usb設備，如u盤驅動程序的id表名為 usb_storage_ids，如果有些usb設備的驅動linux內(nèi)核并不支持，就可以把這些usb設備的數(shù)據(jù)(包括設備供應商編號、產(chǎn)品編號、供應商名稱、產(chǎn)品名稱、usb協(xié)議、初始化函數(shù)、標記等，這些信息的獲取不依賴于特定的設備驅動程序，設備接入后可以從根文件系統(tǒng)的目錄／proc中查看到) 添加到相關設備驅動程序的usb_device_ids中去，如u盤的驅動程序設備表id_storage_ids在內(nèi)核頭文件／drivers／usb／storage／unusual_devs.h中。每當有usb設備接入系統(tǒng)，usb內(nèi)核的執(zhí)行步驟如圖4所示：
在device-add()函數(shù)中內(nèi)核將該usb設備添加到usb總線上，并調(diào)用usb總線的匹配函數(shù)usb_device_match()尋找這個設備的驅動程序，最終將該設備與匹配的驅動程序綁定。
3 u盤設備驅動示例
u盤是usb存儲器的通稱，在內(nèi)核中被定義為usbmass storage，除了默認配置以外，要在linux中使用u盤還必須完成以下步驟：
(1)scsl支持
u盤屬于海量存儲設備，linux將它定義為scsi塊設備，所以必須要配置這個選項。內(nèi)核配置選項如下：
(2)windows文件系統(tǒng)支持
u盤可能大都是windows下的文件格式，所以這里有必要選上對windows下文件格式和語言的支持。內(nèi)核配置選項如下：
(3)usb驅動支持
usb驅動主要包括對usb主機端的支持、usb文件系統(tǒng)、ohci協(xié)議、usb mass storage的支持。內(nèi)核配置選項如下：
(4)在／dev目錄下新建sda設備節(jié)點
為了能夠順利地訪問usb設備，必須在／dev目錄下建立相應的設備節(jié)點。由于u盤被定義為塊設備，所以必須建立scsi塊設備節(jié)點，命令如下：
mknod-m 600 sda*b8*
這里的“*”根據(jù)不同的系統(tǒng)而不同。假如有很多的scsi設備則需要建立許多的sda*設備節(jié)點，至于u盤具體是哪一個設備節(jié)點，則需要根據(jù)fdisk命令來查詢。
(5)安裝u盤
將u盤插入后，首先我們可以通過fdisk-1命令看到u盤的信息(包括該u盤是第幾個scsi塊設備節(jié)點，容量是多少等等)，然后通過命令 mount-t vfat／dev／sda*／mnt／usb(前提是已經(jīng)在／mnt目錄下建立了usb目錄，并且u盤的格式為windows下的vfat)安裝u盤到指定的目錄下。這里的“*”由fdisk命令顯示的內(nèi)容來定。
(6)運行結果
先將u盤插入主機端接口，再啟動系統(tǒng)，就會打印出以下相關的信息：
根文件系統(tǒng)啟動以后，可以通過cat命令顯示該u盤的相關信息，如：／cat／proc／bus／usb／devices。
4 結語
隨著usb接口越來越廣泛的應用，usb-if在2000年推出了usb 2.0規(guī)范。usb 2.0規(guī)范在兼容usb 1.x規(guī)范的基礎上支持480 mb／s的高速數(shù)據(jù)傳輸。同時隨著linux內(nèi)核的不斷擴充，內(nèi)核將支持越來越多的usb設備和usb主機控制器，這對于usb的普及和應用有很重要的意義。
1 at91rm9200 usb主機端接口硬件構成
at91rm9200處理器是atmel公司一款比較流行的微型處理器，它具有arm920t內(nèi)核(帶有mmu)，主時鐘頻率可達240 mhz，很適合嵌入式系統(tǒng)應用，它同時具有usb主機端和設備端，其中主機端處理開hci協(xié)議(ohci)及usb v2.0全速與低速協(xié)議，還給asb提供簡單的讀／寫協(xié)議，usb主機端口還集成1個根集線器，硬件結構如圖1所示。
2 linux usb主機端驅動
linux在1999年就在其核心內(nèi)嵌入了usb驅動程序。理解linux的usb主機端驅動結構和原理，對在linux系統(tǒng)上開發(fā)usb設備端驅動程序，以及進一步理解usb協(xié)議有著很重要的意義。下面基于內(nèi)核版本2.6.19.2分析linux usb的主機端驅動。
linux usb主機端驅動主要分為：主機控制器驅動、usb核心驅動和usb設備端驅動3個部分，它們之間的層次關系如圖2所示。
在linux內(nèi)核中關于usb的代碼主要由2個部分構成：板級支持代碼和usb驅動代碼。其中板極支持代碼主要分布在與處理器有關的目錄里，如：／arch／arm／mach-at91rm9200目錄。usb驅動代碼主要集中在／drivers／usb目錄里，主要包括usb核心驅動，主機控制器驅動，從機端驅動，各類設備端驅動程序。其中在atmel的板極支持代碼／arch／arm／mach-at91rm9200／devices.c中包括usb主機端和從機端資源的數(shù)據(jù)結構at91_usbh_re-sources，at91_udc_resources，平臺設備數(shù)據(jù)結構 at91rm9200_usbh_device，at91rm9200_udc_device，以及設備注冊函數(shù) at91_add_device_usbh()，at91_add_device_udc()，這2個函數(shù)在板極初始化函數(shù)中被調(diào)用，向內(nèi)核添加usb主機設備和從機設備。usb驅動的核心代碼是在／drivers／usb／core目錄里，主要的作用是管理設備端驅動程序、控制協(xié)議命令集、管理數(shù)據(jù)傳輸、配置和管理usb設備、管理主機控制器。usb核心啟動代碼在目錄／drivers／usb／core／usb.c中，具體的步驟如圖3所示。
usb核心啟動以后的結果是：注冊1條總線“usb”，1個文件系統(tǒng)“usbfs”，創(chuàng)建2個設備類“usb_host”， “usb_device”，創(chuàng)建了許多的字符設備節(jié)點，分別是主設備號為180，從設備號是0～255，主設備號為189，從設備號為0～64×128，注冊3個驅動程序：“usbfs”,“hub”，“usb”。創(chuàng)建一個內(nèi)核線程“khubd”，pid=40，一旦有usb設備接入，這個內(nèi)核線程就能捕捉到，并調(diào)用相應的驅動探測函數(shù)。這些內(nèi)容在系統(tǒng)啟動以后根文件系統(tǒng)的／sys或／proc相關目錄下可以找到。linux usb主機端驅動涉及的主要數(shù)據(jù)結構有：
usb_driver：usb接口驅動程序結構體；
usb_device_driver：usb設備驅動程序結構體；
usb_bus：usb總線結構體；
usb_device：usb設備結構體；
urb：usb請求結構體。
在每個usb設備驅動程序里都有1個設備表usb_device_id，用來保存此設備驅動程序所支持的usb設備，如u盤驅動程序的id表名為 usb_storage_ids，如果有些usb設備的驅動linux內(nèi)核并不支持，就可以把這些usb設備的數(shù)據(jù)(包括設備供應商編號、產(chǎn)品編號、供應商名稱、產(chǎn)品名稱、usb協(xié)議、初始化函數(shù)、標記等，這些信息的獲取不依賴于特定的設備驅動程序，設備接入后可以從根文件系統(tǒng)的目錄／proc中查看到) 添加到相關設備驅動程序的usb_device_ids中去，如u盤的驅動程序設備表id_storage_ids在內(nèi)核頭文件／drivers／usb／storage／unusual_devs.h中。每當有usb設備接入系統(tǒng)，usb內(nèi)核的執(zhí)行步驟如圖4所示：
在device-add()函數(shù)中內(nèi)核將該usb設備添加到usb總線上，并調(diào)用usb總線的匹配函數(shù)usb_device_match()尋找這個設備的驅動程序，最終將該設備與匹配的驅動程序綁定。
3 u盤設備驅動示例
u盤是usb存儲器的通稱，在內(nèi)核中被定義為usbmass storage，除了默認配置以外，要在linux中使用u盤還必須完成以下步驟：
(1)scsl支持
u盤屬于海量存儲設備，linux將它定義為scsi塊設備，所以必須要配置這個選項。內(nèi)核配置選項如下：
(2)windows文件系統(tǒng)支持
u盤可能大都是windows下的文件格式，所以這里有必要選上對windows下文件格式和語言的支持。內(nèi)核配置選項如下：
(3)usb驅動支持
usb驅動主要包括對usb主機端的支持、usb文件系統(tǒng)、ohci協(xié)議、usb mass storage的支持。內(nèi)核配置選項如下：
(4)在／dev目錄下新建sda設備節(jié)點
為了能夠順利地訪問usb設備，必須在／dev目錄下建立相應的設備節(jié)點。由于u盤被定義為塊設備，所以必須建立scsi塊設備節(jié)點，命令如下：
mknod-m 600 sda*b8*
這里的“*”根據(jù)不同的系統(tǒng)而不同。假如有很多的scsi設備則需要建立許多的sda*設備節(jié)點，至于u盤具體是哪一個設備節(jié)點，則需要根據(jù)fdisk命令來查詢。
(5)安裝u盤
將u盤插入后，首先我們可以通過fdisk-1命令看到u盤的信息(包括該u盤是第幾個scsi塊設備節(jié)點，容量是多少等等)，然后通過命令 mount-t vfat／dev／sda*／mnt／usb(前提是已經(jīng)在／mnt目錄下建立了usb目錄，并且u盤的格式為windows下的vfat)安裝u盤到指定的目錄下。這里的“*”由fdisk命令顯示的內(nèi)容來定。
(6)運行結果
先將u盤插入主機端接口，再啟動系統(tǒng)，就會打印出以下相關的信息：
根文件系統(tǒng)啟動以后，可以通過cat命令顯示該u盤的相關信息，如：／cat／proc／bus／usb／devices。
4 結語
隨著usb接口越來越廣泛的應用，usb-if在2000年推出了usb 2.0規(guī)范。usb 2.0規(guī)范在兼容usb 1.x規(guī)范的基礎上支持480 mb／s的高速數(shù)據(jù)傳輸。同時隨著linux內(nèi)核的不斷擴充，內(nèi)核將支持越來越多的usb設備和usb主機控制器，這對于usb的普及和應用有很重要的意義。
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