作者：趙明 來源：聯想軟體
USB骨架程序（usb-skeleton），是USB驅動程序的基礎，通過對它源碼的學習和理解，可以使我們迅速地了解USB驅動架構，迅速地開發我們自己的USB硬體的驅動。
前言
在上篇《Linux下的硬體驅動--USB設備（上）（驅動配製部分）》中，我們知道了在Linux下如何去使用一些最常見的USB設備。但對於做系統設計的程序員來說，這是遠遠不夠的，我們還需要具有驅動程序的閱讀、修改和開發能力。在此下篇中，就是要通過簡單的USB驅動的例子，隨您一起進入USB驅動開發的世界。
USB驅動開發
在掌握了USB設備的配置后，對於程序員，我們就可以嘗試進行一些簡單的USB驅動的修改和開發了。這一段落，我們會講解一個最基礎USB框架的基礎上，做兩個小的USB驅動的例子。
USB骨架
在Linux kernel源碼目錄中driver/usb/usb-skeleton.c為我們提供了一個最基礎的USB驅動程序。我們稱為USB骨架。通過它我們僅需要修改極少的部分，就可以完成一個USB設備的驅動。我們的USB驅動開發也是從她開始的。
那些linux下不支持的USB設備幾乎都是生產廠商特定的產品。如果生產廠商在他們的產品中使用自己定義的協議，他們就需要為此設備創建特定的驅動程序。當然我們知道，有些生產廠商公開他們的USB協議，並幫助Linux驅動程序的開發，然而有些生產廠商卻根本不公開他們的USB協議。因為每一個不同的協議都會產生一個新的驅動程序，所以就有了這個通用的USB驅動骨架程序， 它是以pci 骨架為模板的。
如果你準備寫一個linux驅動程序，首先要熟悉USB協議規範。USB主頁上有它的幫助。一些比較典型的驅動可以在上面發現，同時還介紹了USB urbs的概念，而這個是usb驅動程序中最基本的。
Linux USB 驅動程序需要做的第一件事情就是在Linux USB 子系統里註冊，並提供一些相關信息，例如這個驅動程序支持那種設備，當被支持的設備從系統插入或拔出時，會有哪些動作。所有這些信息都傳送到USB 子系統中，在usb骨架驅動程序中是這樣來表示的：
static struct usb_driver skel_driver = {
name: "skeleton",
probe: skel_probe,
disconnect: skel_disconnect,
fops: &skel_fops,
minor: USB_SKEL_MINOR_BASE,
id_table: skel_table,
};
變數name是一個字元串，它對驅動程序進行描述。probe 和disconnect 是函數指針，當設備與在id_table 中變數信息匹配時，此函數被調用。
fops和minor變數是可選的。大多usb驅動程序鉤住另外一個驅動系統，例如SCSI，網路或者tty子系統。這些驅動程序在其他驅動系統中註冊，同時任何用戶空間的交互操作通過那些介面提供，比如我們把SCSI設備驅動作為我們USB驅動所鉤住的另外一個驅動系統，那麼我們此USB設備的read、write等操作，就相應按SCSI設備的read、write函數進行訪問。但是對於掃描儀等驅動程序來說，並沒有一個匹配的驅動系統可以使用，那我們就要自己處理與用戶空間的read、write等交互函數。Usb子系統提供一種方法去註冊一個次設備號和file_operations函數指針，這樣就可以與用戶空間實現方便地交互。
USB骨架程序的關鍵幾點如下：
1. USB驅動的註冊和註銷
Usb驅動程序在註冊時會發送一個命令給usb_register，通常在驅動程序的初始化函數里。
當要從系統卸載驅動程序時，需要註銷usb子系統。即需要usb_unregister 函數處理：
static void __exit usb_skel_exit(void)
{
/* deregister this driver with the USB subsystem */
usb_deregister(&skel_driver);
}
module_exit(usb_skel_exit);
當usb設備插入時，為了使linux-hotplug（Linux中PCI、USB等設備熱插拔支持）系統自動裝載驅動程序，你需要創建一個MODULE_DEVICE_TABLE。代碼如下（這個模塊僅支持某一特定設備）：
/* 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);
USB_DEVICE宏利用廠商ID和產品ID為我們提供了一個設備的唯一標識。當系統插入一個ID匹配的USB設備到USB匯流排時，驅動會在USB core中註冊。驅動程序中probe 函數也就會被調用。usb_device 結構指針、介面號和介面ID都會被傳遞到函數中。
static void * skel_probe(struct usb_device *dev,
unsigned int ifnum, const struct usb_device_id *id)
驅動程序需要確認插入的設備是否可以被接受，如果不接受，或者在初始化的過程中發生任何錯誤，probe函數返回一個NULL值。否則返回一個含有設備驅動程序狀態的指針。通過這個指針，就可以訪問所有結構中的回調函數。
在骨架驅動程序里，最後一點是我們要註冊devfs。我們創建一個緩衝用來保存那些被發送給usb設備的數據和那些從設備上接受的數據，同時USB urb 被初始化，並且我們在devfs子系統中註冊設備，允許devfs用戶訪問我們的設備。註冊過程如下：
/* initialize the devfs node for this device and register it */sprintf(name, "skel%d", skel->;minor);skel->;devfs = devfs_register (usb_devfs_handle, name, DEVFS_FL_DEFAULT, USB_MAJOR, USB_SKEL_MINOR_BASE + skel->;minor, S_IFCHR | S_IRUSR | S_IWUSR | S_IRGRP | S_IWGRP | S_IROTH, &skel_fops, NULL);
如果devfs_register函數失敗，不用擔心，devfs子系統會將此情況報告給用戶。
當然最後，如果設備從usb匯流排拔掉，設備指針會調用disconnect 函數。驅動程序就需要清除那些被分配了的所有私有數據、關閉urbs，並且從devfs上註銷調自己。
/* remove our devfs node */devfs_unregister(skel->;devfs);
現在，skeleton驅動就已經和設備綁定上了，任何用戶態程序要操作此設備都可以通過file_operations結構所定義的函數進行了。首先，我們要open此設備。在open函數中MODULE_INC_USE_COUNT 宏是一個關鍵，它的作用是起到一個計數的作用，有一個用戶態程序打開一個設備，計數器就加一，例如，我們以模塊方式加入一個驅動，若計數器不為零，就說明仍然有用戶程序在使用此驅動，這時候，你就不能通過rmmod命令卸載驅動模塊了。
/* increment our usage count for the module */MOD_INC_USE_COUNT;++skel->;open_count;/* save our object in the file's private structure */file->;private_data = skel;
當open完設備后，read、write函數就可以收、發數據了。
2. skel的write、和read函數
他們是完成驅動對讀寫等操作的響應。
在skel_write中，一個FILL_BULK_URB函數，就完成了urb 系統callbak和我們自己的skel_write_bulk_callback之間的聯繫。注意skel_write_bulk_callback是中斷方式，所以要注意時間不能太久，本程序中它就只是報告一些urb的狀態等。
read 函數與write 函數稍有不同在於：程序並沒有用urb 將數據從設備傳送到驅動程序，而是我們用usb_bulk_msg 函數代替，這個函數能夠不需要創建urbs 和操作urb函數的情況下，來發送數據給設備，或者從設備來接收數據。我們調用usb_bulk_msg函數並傳提一個存儲空間，用來緩衝和放置驅動收到的數據，若沒有收到數據，就失敗並返回一個錯誤信息。
3. usb_bulk_msg函數
當對usb設備進行一次讀或者寫時，usb_bulk_msg 函數是非常有用的; 然而, 當你需要連續地對設備進行讀/寫時，建議你建立一個自己的urbs，同時將urbs 提交給usb子系統。
4. skel_disconnect函數
當我們釋放設備文件句柄時，這個函數會被調用。MOD_DEC_USE_COUNT宏會被用到（和MOD_INC_USE_COUNT剛好對應，它減少一個計數器），首先確認當前是否有其它的程序正在訪問這個設備，如果是最後一個用戶在使用，我們可以關閉任何正在發生的寫，操作如下：
/* decrement our usage count for the device */--skel->;open_count;if (skel->;open_count <= 0) { /* shutdown any bulk writes that might be going on */ usb_unlink_urb (skel->;write_urb); skel->;open_count = 0;}/* decrement our usage count for the module */MOD_DEC_USE_COUNT;
最困難的是，usb 設備可以在任何時間點從系統中取走，即使程序目前正在訪問它。usb驅動程序必須要能夠很好地處理解決此問題，它需要能夠切斷任何當前的讀寫，同時通知用戶空間程序：usb設備已經被取走。
如果程序有一個打開的設備句柄，在當前結構里，我們只要把它賦值為空，就像它已經消失了。對於每一次設備讀寫等其它函數操作，我們都要檢查usb_device結構是否存在。如果不存在，就表明設備已經消失，並返回一個-ENODEV錯誤給用戶程序。當最終我們調用release 函數時，在沒有文件打開這個設備時，無論usb_device結構是否存在、它都會清空skel_disconnect函數所作工作。
Usb 骨架驅動程序，提供足夠的例子來幫助初始人員在最短的時間裡開發一個驅動程序。更多信息你可以到linux usb開發新聞組去尋找。U盤、USB讀卡器、MP3、數碼相機驅動對於一款windows下用的很爽的U盤、USB讀卡器、MP3或數碼相機，可能Linux下卻不能支持。怎麼辦？其實不用傷心，也許經過一點點的工作，你就可以很方便地使用它了。通常是此U盤、USB讀卡器、MP3或數碼相機在WindowsXP中不需要廠商專門的驅動就可以識別為移動存儲設備，這樣的設備才能保證成功，其他的就看你的運氣了。
USB存儲設備，他們的read、write等操作都是通過上章節中提到的鉤子，把自己的操作鉤到SCSI設備上去的。我們就不需要對其進行具體的數據讀寫處理了。
第一步：我們通過cat /proc/bus/usb/devices得到當前系統探測到的USB匯流排上的設備信息。它包括Vendor、ProdID、Product等。下面是我買的一款雜牌CF卡讀卡器插入后的信息片斷：
T: Bus=01 Lev=01 Prnt=01 Port=01 Cnt=02 Dev#= 5 Spd=12 MxCh= 0 D: Ver= 1.10 Cls=00(>;ifc ) Sub=00 Prot=00 MxPS=8 #Cfgs= 1 P: Vendor=07c4 ProdID=a400 Rev= 1.13 S: Manufacturer=USB S: Product=Mass Storage C:* #Ifs= 1 Cfg#= 1 Atr=80 MxPwr=70mA I: If#= 0 Alt= 0 #EPs= 2 Cls=08(vend.) Sub=06 Prot=50 Driver=usb-storage E: Ad=81(I) Atr=02(Bulk) MxPS= 64 Ivl= 0msE: Ad=02(O) Atr=02(Bulk) MxPS= 64 Ivl= 0ms
其中，我們最關心的是Vendor=07c4 ProdID=a400和Manufacturer=USB（果然是雜牌，廠商名都看不到）Product= Mass Storage。
對於這些移動存儲設備，我們知道Linux下都是通過usb-storage.o驅動模擬成scsi設備去支持的，之所以不支持，通常是usb-storage驅動未包括此廠商識別和產品識別信息（在類似skel_probe的USB最初探測時被屏蔽了）。對於USB存儲設備的硬體訪問部分，通常是一致的。所以我們要支持它，僅需要修改usb-storage中關於廠商識別和產品識別列表部分。
第二部，打開drivers/usb/storage/unusual_devs.h文件，我們可以看到所有已知的產品登記表，都是以UNUSUAL_DEV（idVendor, idProduct, bcdDeviceMin, bcdDeviceMax, vendor_name, product_name, use_protocol, use_transport, init_function, Flags）方式登記的。其中相應的涵義，你就可以根據命名來判斷了。所以只要我們如下填入我們自己的註冊，就可以讓usb-storage驅動去認識和發現它。
UNUSUAL_DEV(07c4, a400, 0x0000, 0xffff, " USB ", " Mass Storage ", US_SC_SCSI, US_PR_BULK, NULL, US_FL_FIX_INQUIRY | US_FL_START_STOP |US_FL_MODE_XLATE )
注意：添加以上幾句的位置，一定要正確。比較發現，usb-storage驅動對所有註冊都是按idVendor, idProduct數值從小到大排列的。我們也要放在相應位置。
最後，填入以上信息，我們就可以重新編譯生成內核或usb-storage.o模塊。這時候插入我們的設備就可以跟其他U盤一樣作為SCSI設備去訪問了。
鍵盤飛梭支持目前很多鍵盤都有飛梭和手寫板，下面我們就嘗試為一款鍵盤飛梭加入一個驅動。在通常情況，當我們插入USB介面鍵盤時，在/proc/bus/usb/devices會看到多個USB設備。比如：你的USB鍵盤上的飛梭會是一個，你的手寫板會是一個，若是你的USB鍵盤有USB擴展連接埠，也會看到。
下面是具體看到的信息
T: Bus=02 Lev=00 Prnt=00 Port=00 Cnt=00 Dev#= 1 Spd=12 MxCh= 2B: Alloc= 11/900 us ( 1%), #Int= 1, #Iso= 0D: Ver= 1.00 Cls=09(hub ) Sub=00 Prot=00 MxPS= 8 #Cfgs= 1P: Vendor=0000 ProdID=0000 Rev= 0.00S: Product=USB UHCI Root HubS: SerialNumber=d800C:* #Ifs= 1 Cfg#= 1 Atr=40 MxPwr= 0mAI: If#= 0 Alt= 0 #EPs= 1 Cls=09(hub ) Sub=00 Prot=00 Driver=hubE: Ad=81(I) Atr=03(Int.) MxPS= 8 Ivl=255msT: Bus=02 Lev=01 Prnt=01 Port=01 Cnt=01 Dev#= 3 Spd=12 MxCh= 3D: Ver= 1.10 Cls=09(hub ) Sub=00 Prot=00 MxPS= 8 #Cfgs= 1P: Vendor=07e4 ProdID=9473 Rev= 0.02S: Manufacturer=ALCORS: Product=Movado USB KeyboardC:* #Ifs= 1 Cfg#= 1 Atr=e0 MxPwr=100mAI: If#= 0 Alt= 0 #EPs= 1 Cls=09(hub ) Sub=00 Prot=00 Driver=hubE: Ad=81(I) Atr=03(Int.) MxPS= 1 Ivl=255ms
找到相應的信息后就可開始工作了。實際上，飛梭的定義和鍵盤鍵碼通常是一樣的，所以我們參照drivers/usb/usbkbd..c代碼進行一些改動就可以了。因為沒能拿到相應的硬體USB協議，我無從知道飛梭在按下時通訊協議眾到底發什麼，我只能把它的信息打出來進行分析。幸好，它比較簡單，在下面代碼的usb_kbd_irq函數中if(kbd->;new[0] == (char)0x01)和if(((kbd->;new[1]>;>;4)&0x0f)!=0x7)就是判斷飛梭左旋。usb_kbd_irq函數就是鍵盤中斷響應函數。他的掛接，就是在usb_kbd_probe函數中
FILL_INT_URB(&kbd->;irq, dev, pipe, kbd->;new, maxp >; 8 ? 8 : maxp, usb_kbd_irq, kbd, endpoint->;bInterval);
一句中實現。
從usb骨架中我們知道，usb_kbd_probe函數就是在USB設備被系統發現是運行的。其他部分就都不是關鍵了。你可以根據具體的探測值（Vendor=07e4 ProdID=9473等）進行一些修改就可以了。值得一提的是，在鍵盤中斷中，我們的做法是收到USB飛梭消息后，把它模擬成左方向鍵和右方向鍵，在這裡，就看你想怎麼去響應它了。當然你也可以響應模擬成F14、F15等擴展鍵碼。
在了解了此基本的驅動后，對於一個你已經拿到通訊協議的鍵盤所帶手寫板，你就應該能進行相應驅動的開發了吧。
程序見附錄1：鍵盤飛梭驅動。
使用此驅動要注意的問題：在載入此驅動時你必須先把hid設備卸載，載入完usbhkey.o模塊后再載入hid.o。因為若hid存在，它的probe會屏蔽系統去利用我們的驅動發現我們的設備。其實，飛梭本來就是一個hid設備，正確的方法，或許你應該修改hid的probe函數，然後把我們的驅動融入其中。
參考資料
1. 《LINUX設備驅動程序》
ALESSANDRO RUBINI著
LISOLEG 譯
2. 《Linux系統分析與高級編程技術》
周巍松 編著
3. Linux Kernel-2.4.20源碼和文檔說明
附錄1：鍵盤飛梭驅動
| #include ;#include ;#include ;#include ;#include ;#include ;#include ;/** Version Information*/#define DRIVER_VERSION ""#define DRIVER_AUTHOR "TGE HOTKEY "#define DRIVER_DESC "USB HID Tge hotkey driver"#define USB_HOTKEY_VENDOR_ID 0x07e4#define USB_HOTKEY_PRODUCT_ID 0x9473//廠商和產品ID信息就是/proc/bus/usb/devices中看到的值MODULE_AUTHOR( DRIVER_AUTHOR );MODULE_DESCRIPTION( DRIVER_DESC );struct usb_kbd { struct input_dev dev; struct usb_device *usbdev; unsigned char new[8]; unsigned char old[8]; struct urb irq, led;// devrequest dr; //這一行和下一行的區別在於kernel2.4.20版本對usb_kbd鍵盤結構定義發生了變化 struct usb_ctrlrequest dr; unsigned char leds, newleds; char name[128]; int open;};//此結構來自內核中drivers/usb/usbkbd..cstatic void usb_kbd_irq(struct urb *urb){ struct usb_kbd *kbd = urb->;context; int *new; new = (int *) kbd->;new; if(kbd->;new[0] == (char)0x01) { if(((kbd->;new[1]>;>;4)&0x0f)!=0x7) {handle_scancode(0xe0,1);handle_scancode(0x4b,1); handle_scancode(0xe0,0); handle_scancode(0x4b,0); } else { handle_scancode(0xe0,1); handle_scancode(0x4d,1); handle_scancode(0xe0,0); handle_scancode(0x4d,0); } } printk("new=%x %x %x %x %x %x %x %x", kbd->;new[0],kbd->;new[1],kbd->;new[2],kbd->;new[3], kbd->;new[4],kbd->;new[5],kbd->;new[6],kbd->;new[7]); }static void *usb_kbd_probe(struct usb_device *dev, unsigned int ifnum, const struct usb_device_id *id){ struct usb_interface *iface; struct usb_interface_descriptor *interface; struct usb_endpoint_descriptor *endpoint; struct usb_kbd *kbd; int pipe, maxp; iface = &dev->;actconfig->;interface[ifnum]; interface = &iface->;altsetting[iface->;act_altsetting]; if ((dev->;descriptor.idVendor != USB_HOTKEY_VENDOR_ID) || (dev->;descriptor.idProduct != USB_HOTKEY_PRODUCT_ID) || (ifnum != 1)) { return NULL; } if (dev->;actconfig->;bNumInterfaces != 2) { return NULL; } if (interface->;bNumEndpoints != 1) return NULL; endpoint = interface->;endpoint + 0; pipe = usb_rcvintpipe(dev, endpoint->;bEndpointAddress); maxp = usb_maxpacket(dev, pipe, usb_pipeout(pipe)); usb_set_protocol(dev, interface->;bInterfaceNumber, 0); usb_set_idle(dev, interface->;bInterfaceNumber, 0, 0); printk(KERN_INFO "GUO: Vid = %.4x, Pid = %.4x, Device = %.2x, ifnum = %.2x, bufCount = %.8x\\n", dev->;descriptor.idVendor,dev->;descriptor.idProduct,dev->;descriptor.bcdDevice, ifnum, maxp); if (!(kbd = kmalloc(sizeof(struct usb_kbd), GFP_KERNEL))) return NULL; memset(kbd, 0, sizeof(struct usb_kbd)); kbd->;usbdev = dev; FILL_INT_URB(&kbd->;irq, dev, pipe, kbd->;new, maxp >; 8 ? 8 : maxp, usb_kbd_irq, kbd, endpoint->;bInterval); kbd->;irq.dev = kbd->;usbdev; if (dev->;descriptor.iManufacturer) usb_string(dev, dev->;descriptor.iManufacturer, kbd->;name, 63); if (usb_submit_urb(&kbd->;irq)) { kfree(kbd); return NULL; } printk(KERN_INFO "input%d: %s on usb%d:%d.%d\\n", kbd->;dev.number, kbd->;name, dev->;bus->;busnum, dev->;devnum, ifnum); return kbd;}static void usb_kbd_disconnect(struct usb_device *dev, void *ptr){ struct usb_kbd *kbd = ptr; usb_unlink_urb(&kbd->;irq); kfree(kbd);}static struct usb_device_id usb_kbd_id_table [] = { { USB_DEVICE(USB_HOTKEY_VENDOR_ID, USB_HOTKEY_PRODUCT_ID) }, { } /* Terminating entry */};MODULE_DEVICE_TABLE (usb, usb_kbd_id_table);static struct usb_driver usb_kbd_driver = { name: "Hotkey", probe: usb_kbd_probe, disconnect: usb_kbd_disconnect, id_table: usb_kbd_id_table, NULL,};static int __init usb_kbd_init(void){ usb_register(&usb_kbd_driver); info(DRIVER_VERSION ":" DRIVER_DESC); return 0;}static void __exit usb_kbd_exit(void){ usb_deregister(&usb_kbd_driver);}module_init(usb_kbd_init);module_exit(usb_kbd_exit); |
