深入Linux USB框架：剖析硬件驱动的核心部分

1. 简介

Linux USB框架是Linux操作系统中负责处理USB设备的一个框架。它提供了一种标准且简单的接口，使得开发人员可以轻松地编写USB设备驱动程序，并与操作系统进行交互。本文将深入探讨Linux USB框架的核心部分，并解析硬件驱动的关键点。

2. USB驱动程序的注册

2.1 USB设备初始化

在开始编写USB驱动程序之前，需要对USB设备进行初始化。这涉及到在系统中注册USB设备。注册USB设备的过程可以通过下面的代码来演示：

struct usb_device_id my_usb_table[] = {
    { USB_DEVICE(0x1234, 0x5678) },
    { } /* Terminating entry */
};
MODULE_DEVICE_TABLE(usb, my_usb_table);
static struct usb_driver my_usb_driver = {
    .name = "my_usb_driver",
    .probe = my_usb_probe,
    .disconnect = my_usb_disconnect,
    .id_table = my_usb_table,
};
module_usb_driver(my_usb_driver);

在上述代码中，首先定义了一个usb_device_id结构体数组my_usb_table，用来描述支持的USB设备的Vendor ID和Product ID。

然后，通过MODULE_DEVICE_TABLE(usb, my_usb_table)宏定义，将my_usb_table注册到Linux内核的设备表中。

接下来，定义了一个usb_driver结构体my_usb_driver，其中包含了驱动程序的一些相关信息，如驱动程序名称、驱动程序的初始化函数probe和断开连接函数disconnect。

最后，通过module_usb_driver(my_usb_driver)函数将驱动程序注册到Linux内核。

2.2 USB驱动程序的初始化函数

USB驱动程序的初始化函数在驱动程序被加载时被调用。在这个函数中，可以进行一些必要的设置和初始化工作。下面是一个示例的初始化函数：

static int my_usb_probe(struct usb_interface *interface, const struct usb_device_id *id)
{
    // 获取相关设备信息
    struct usb_device *udev = interface_to_usbdev(interface);
    int retval;
    // 打印设备信息
    dev_info(&interface->dev, "USB device detected\n");
    // 设置USB设备操作
    interface->driver_data = devm_kzalloc(&interface->dev, sizeof(struct my_usb), GFP_KERNEL);
    if (!interface->driver_data) {
        dev_err(&interface→dev, "Memory allocation failed\n");
        return -ENOMEM;
    }
    // ...
    return 0;
}

在上述代码中，首先通过interface_to_usbdev函数将usb_interface结构体转换为usb_device结构体，以获取相关的设备信息。

然后，打印设备信息，以确认USB设备已被检测到。

接下来，通过devm_kzalloc函数分配内存，并将其保存在usb_interface结构体的driver_data字段中。这里的示例是用来保存使用的自定义结构体my_usb。

最后，通过返回0来表示设备的初始化成功。

3. USB传输

3.1 USB传输数据的流程

在USB驱动程序中，为实现数据的传输，需要使用到Linux USB框架提供的一些函数。下面是USB传输数据的一个基本流程：

1. 通过usb_bulk_msg函数实现批量传输数据。

2. 通过usb_control_msg函数实现控制传输数据。

3. 通过usb_interrupt_msg函数实现中断传输数据。

3.2 批量传输数据示例

static int my_usb_send(struct usb_device *udev, void *data, int size)
{
    struct usb_host_endpoint *ep;
    struct urb *urb;
    int retval;
    // 获取发送数据的端点
    ep = usb_sndbulkpipe(udev, EP_OUT);
    // 分配USB请求块
    urb = usb_alloc_urb(0, GFP_KERNEL);
    if (!urb)
        return -ENOMEM;
    // 初始化USB请求块
    usb_fill_bulk_urb(urb, udev, ep, data, size, my_usb_send_callback, NULL);
    // 设置传输的超时时间
    urb->timeout = 5000;
    // 提交USB请求块
    retval = usb_submit_urb(urb, GFP_KERNEL);
    if (retval) {
        dev_err(&interface->dev, "Failed to submit URB: %d\n", retval);
        goto error;
    }
    // 等待传输完成
    retval = usb_wait_for_completion_timeout(&urb->kref, urb->timeout);
    if (retval == 0) {
        dev_err(&interface->dev, "Transfer timed out\n");
        usb_kill_urb(urb);
    }
    // 检查传输结果
    if (urb->status) {
        dev_err(&interface->dev, "Transfer failed with status: %d\n", urb->status);
        retval = urb->status;
    }
    // 释放USB请求块
    usb_free_urb(urb);
    return retval;
error:
    usb_free_urb(urb);
    return retval;
}

在上述代码中，首先通过usb_sndbulkpipe函数获取发送数据的批量端点。

然后，通过usb_alloc_urb函数分配USB请求块，并使用usb_fill_bulk_urb函数初始化请求块。

接下来，设置传输的超时时间，并提交请求块通过usb_submit_urb函数执行传输操作。

然后，通过usb_wait_for_completion_timeout函数等待传输完成。

最后，通过检查传输结果和释放请求块的方式来结束传输操作。

4. 总结

本文深入探讨了Linux USB框架的核心部分，并剖析了硬件驱动中的关键点。我们了解了USB驱动程序的注册过程，以及USB传输数据的流程和实现方法。了解了这些核心知识后，我们可以更加深入地理解Linux USB框架，并能够编写高效稳定的USB驱动程序。