隨著計(jì)算機(jī)外圍硬件的擴(kuò)展,，各種外圍設(shè)備使用不同的總線接口,，導(dǎo)致計(jì)算機(jī)外部各種總線繁多，管理困難,，USB總線可以解決這些問題,，因此而誕生。USB總線提供統(tǒng)一的外設(shè)的接口方式,，并且支持熱插拔,，方便了廠商開發(fā)設(shè)備和用戶使用設(shè)備。USB(通用串行總線)是由Microsft,，Compad,，Inter和NEC等推出的外圍總線接口，目前已發(fā)展到2．0標(biāo)準(zhǔn)最高支持480Mb／s的速率,，最多可以支持127個外設(shè),。
嵌入式Linux是一款源代碼完全免費(fèi)的新興操作系統(tǒng)，用戶可以用戶可以通過網(wǎng)絡(luò)等其他途徑免費(fèi)獲得,，并可以任意修改其源代碼,，這是其他的操作系統(tǒng)做不到的。正是由于這一點(diǎn),，Linux得到了廣泛的應(yīng)用,。
1 Linux中USB設(shè)備驅(qū)動程序框架及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
1．1 USB的體系結(jié)構(gòu)
USB接口標(biāo)準(zhǔn)支持外部設(shè)備和主機(jī)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。在USB結(jié)構(gòu)中主機(jī)頂設(shè)各種類型外設(shè)使用的總線寬度,。當(dāng)外設(shè)和主機(jī)在運(yùn)行時,，USB總線允許使用，設(shè)置，添加和拆除外設(shè),。
在USB體系結(jié)構(gòu)中一個USB系統(tǒng)可以分成USB設(shè)備,、USB主機(jī)和USB互聯(lián)3個部分。USB互聯(lián)是USB設(shè)備和USB主機(jī)之間進(jìn)行連接通信的操作,，主要包括：
1)總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：UsB主機(jī)和USB設(shè)備之間的連接方式,；
2)數(shù)據(jù)流模式：描述USB通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)如何從產(chǎn)生方傳遞到使用方,；
3)USB調(diào)度：USB總線是一個共享連接,，對可以使用的連按進(jìn)行調(diào)度以支持同步數(shù)據(jù)傳輸，并避免優(yōu)先級判斷的開銷,。
USB的物理連接是有層次的星型結(jié)構(gòu),，如圖1所示。
從圖中可以看出USB集線器在一個節(jié)點(diǎn)上連接多個設(shè)備,，每條線段都是點(diǎn)點(diǎn)連接,，每個USB集線器在星形的中心。從主機(jī)到設(shè)備或者USB集線器,，或USB集線器到設(shè)備都是點(diǎn)點(diǎn)連接,。
1．2 USB驅(qū)動程序的結(jié)構(gòu)
USN總線在技術(shù)層面上是非常簡單的，它是一個單主方式實(shí)現(xiàn)的,，主機(jī)輪詢各種不同的外圍設(shè)備,，USB另外一個重要的特性是它只擔(dān)當(dāng)設(shè)備和主控制器之間通訊通道的角色，對所發(fā)送的數(shù)據(jù)沒有任何特殊的內(nèi)容和結(jié)構(gòu)上的要求,。
Linux支持兩種類型的USB驅(qū)動,，宿主系統(tǒng)上的驅(qū)動程序和設(shè)備上的驅(qū)動程序。宿主USB驅(qū)動程序控制插入其中的USB設(shè)備,，而USB設(shè)備的驅(qū)動程序控制設(shè)備如何作為一個USB設(shè)備和主機(jī)通訊,。這里主要討論設(shè)備驅(qū)動。
USB的基本通信的形式基本通過端點(diǎn)的東西,。USB端點(diǎn)只能往一個方向傳輸數(shù)據(jù),，從主機(jī)到設(shè)備或從設(shè)備到主機(jī)。USB端點(diǎn)分別具有不同的傳輸數(shù)據(jù)的方式,，他們有4種類型,，分別是：1)控制端點(diǎn)用來控制對USB設(shè)備不同部分的訪問。他們用于配置設(shè)備,，獲取設(shè)備信息,，獲取設(shè)備的狀態(tài)報告，發(fā)送命令到設(shè)備,。它是一種非周期性的可靠的傳輸,。2)中斷端點(diǎn)就是設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)時以一個固定的速率來傳輸少量的數(shù)據(jù)。這些端點(diǎn)是鼠標(biāo)和USB鍵盤所使用的主要傳輸方式。它通常用于發(fā)送數(shù)據(jù)到USB設(shè)備以控制設(shè)備,，一般不用來傳輸大量數(shù)據(jù),。USB協(xié)議保證這些傳輸有足夠的保留帶寬來傳輸數(shù)據(jù)。3)等時端點(diǎn)同樣可以傳輸大批量的數(shù)據(jù),，但數(shù)據(jù)是否到達(dá)沒有保障,，這些端點(diǎn)用于可以應(yīng)付數(shù)據(jù)丟失的情況，這類設(shè)備更注重于保持一定的恒定的數(shù)據(jù)流,，實(shí)時的數(shù)據(jù)收集都使用這類端點(diǎn),。4)批量端點(diǎn)傳輸大量的數(shù)據(jù)。這些端點(diǎn)通常比中斷端點(diǎn)大的多他們常用于需要確保沒有數(shù)據(jù)丟失的傳輸設(shè)備,。USB協(xié)議不保證這些傳輸始終可以在特定的時間內(nèi)完成,。如果總線上的空間不足以發(fā)送整個批量包。它將被分割為多個包進(jìn)行傳輸,。
當(dāng)一個USB設(shè)備連接到主機(jī)時,，主機(jī)會給這個設(shè)備分配一個1～127之間的唯一的設(shè)備號同時讀取該設(shè)備的描述符，該設(shè)備描述符是描述設(shè)備信息及其屬性的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),，USB以一種層次化的結(jié)構(gòu)定義設(shè)備的描述符,，設(shè)備描述符給出了USB設(shè)備的一般信息，包括對設(shè)備及所有設(shè)備配置起全程作用的信息,，一個USB設(shè)備只能有一個設(shè)備描述符,，配置描述符中的信息與設(shè)備特定的配置相關(guān)，一個USB設(shè)備可以有一個或多個配置描述符,，每一個配置描述符又由一個或多個接口描述符組成,，接口描述符的信息是與設(shè)備驅(qū)動程序的開發(fā)密切相關(guān)，可以一個接口對應(yīng)一個設(shè)備驅(qū)動程序也可以多個接口對應(yīng)一個設(shè)備驅(qū)動程序,，接口描述符由零個或多個端點(diǎn)描述符組成,，端點(diǎn)描述符定義了在一個給定的設(shè)備里實(shí)現(xiàn)的實(shí)際寄存器，這些描述符定義了每個寄存器的功能和特定的信息如端點(diǎn)要求的傳輸類型,、傳輸方向,、帶寬要求、查詢間隔等,。另外,，還有一個可選的宇符串描述符，它以UNCOND碼的格式給出了一些可讀的信息,，這些信息通常是有關(guān)設(shè)備生產(chǎn)廠商,、設(shè)備名設(shè)備序列號等，通過這些不同層次的描述符,，主機(jī)設(shè)備驅(qū)動程序就可以知道具體設(shè)備的相關(guān)信息,，從而對設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)控制,。
1．3 USB驅(qū)動程序框架
1．3．1 基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
usb-skel設(shè)備使用自定義結(jié)構(gòu)usb_skel記錄設(shè)備驅(qū)動用到的所有描述符，該結(jié)構(gòu)定義如下：
1．3．2 驅(qū)動程序初始化和注銷
同其他所有的Linux設(shè)備驅(qū)動程序一樣,，usb-skel驅(qū)動使用module_init()宏初始化函數(shù),，使用module_exit()宏注銷函數(shù)。usb-skel驅(qū)動的初始化函數(shù)usb_skel_init()函數(shù),，定義如下：
在USB驅(qū)動中調(diào)用usb_deregister()函數(shù)注銷usb-skel設(shè)備驅(qū)動,，函數(shù)定義如下：
1．3．3 初始化設(shè)備
從skel_driver結(jié)構(gòu)可以知道usb-skel設(shè)備的初始化函數(shù)是skel_probe()函數(shù)，設(shè)備初始化主要是探測設(shè)備類型,，分配USB設(shè)備用到的urb資源,，注冊USB設(shè)備操作函數(shù)等。
skel_class結(jié)構(gòu)變量記錄了usb-skel設(shè)備信息,，定義如下：
name變量使用％d通配符表示一個整型變量,，當(dāng)一個usb-skel類型的設(shè)備連接到USB總先后會2按照子設(shè)備編號自動設(shè)置設(shè)備名稱,。Fops設(shè)備操作函數(shù)結(jié)構(gòu)變量,，定義如下：
1.3.4 設(shè)備注銷
skel_disconnect()函數(shù)在注銷設(shè)備時被調(diào)用，定義如下：
2 USB串口驅(qū)動
2. 1 驅(qū)動初始化函數(shù)
usb_serial_init()函數(shù)是一個典型的USB設(shè)備驅(qū)動初始化函數(shù),，定義如下：
函數(shù)首先調(diào)用alloc_tty_driver()函數(shù)分配一個串口驅(qū)動描述符,；然后設(shè)置串口驅(qū)動的屬性，包括驅(qū)動的主從設(shè)備號,、設(shè)備類型,、串口初始化參數(shù)等；串口驅(qū)動描述符設(shè)置完畢后,，調(diào)用usb_register()函數(shù)注冊USB串口設(shè)備,。
2. 2 驅(qū)動釋放函數(shù)
2．3 串口操作函數(shù)
USB串口設(shè)備驅(qū)動使用了一個tty_operations類型的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)包含了串口的所有操作,，定義如下：
按上述的步驟和方法通過lnsmod命令成功實(shí)現(xiàn)了USB驅(qū)動程序的加載,，成功的通過USB串口進(jìn)行了數(shù)據(jù)的讀寫。
3 結(jié)論
新出的Linux2.6內(nèi)核加入了對USB2．0的支持,，重新定義了usb_class_driver結(jié)構(gòu)體,。同時對探測函數(shù)probe和usb_submit_urb做了修改，包含了advanced linux sound Archiecture可以更安全的使用USB設(shè)備,。