基于AT91RM9200的USB主机端Linux驱动

liyf

通用串行总线(USb)是一种新兴的计算机外围串行通信接口标准，它克服传统计算机串／并口的缺陷，具有热插拔、即插即用、数据传输可靠、扩展方便、低成本等优点，已成为当前计算机必备的接口之一，同时也被广泛地应用与嵌入式系统设计中。本文着重介绍嵌入式Linux中的USb主机端驱动。其硬件平台是AT91RM9200处理器系统，软件平台是Linux-2.6.19.2内核。
1 AT91RM9200 USb主机端接口硬件构成
AT91RM9200处理器是Atmel公司一款比较流行的微型处理器，它具有ARM920T内核(带有MMU)，主时钟频率可达240 MHz，很适合嵌入式系统应用，它同时具有USb主机端和设备端，其中主机端处理开HCI协议(OHCI)及USb v2.0全速与低速协议，还给ASb提供简单的读／写协议，USb主机端口还集成1个根集线器，硬件结构如图1所示。
2 Linux USb主机端驱动
Linux在1999年就在其核心内嵌入了USb驱动程序。理解Linux的USb主机端驱动结构和原理，对在Linux系统上开发USb设备端驱动程序，以及进一步理解USb协议有着很重要的意义。下面基于内核版本2.6.19.2分析Linux USb的主机端驱动。

Linux USb主机端驱动主要分为：主机控制器驱动、USb核心驱动和USb设备端驱动3个部分，它们之间的层次关系如图2所示。
在Linux内核中关于USb的代码主要由2个部分构成：板级支持代码和USb驱动代码。其中板极支持代码主要分布在与处理器有关的目录里，如：／arch／arm／mach-at91rm9200目录。USb驱动代码主要集中在／drivers／usb目录里，主要包括USb核心驱动，主机控制器驱动，从机端驱动，各类设备端驱动程序。其中在Atmel的板极支持代码／arch／arm／mach-at91rm9200／devices.c中包括USb主机端和从机端资源的数据结构at91_usbh_re-sources，at91_udc_resources，平台设备数据结构at91rm9200_usbh_device，at91rm9200_udc_device，以及设备注册函数at91_add_device_usbh()，at91_add_device_udc()，这2个函数在板极初始化函数中被调用，向内核添加USb主机设备和从机设备。USb驱动的核心代码是在／drivers／usb／core目录里，主要的作用是管理设备端驱动程序、控制协议命令集、管理数据传输、配置和管理USb设备、管理主机控制器。USb核心启动代码在目录／drivers／usb／core／usb.c中，具体的步骤如图3所示。

USb核心启动以后的结果是：注册1条总线“usb”，1个文件系统“usbfs”，创建2个设备类“usb_host”，“usb_device”，创建了许多的字符设备节点，分别是主设备号为180，从设备号是0～255，主设备号为189，从设备号为0～64×128，注册3个驱动程序：“usbfs”,“hub”，“usb”。创建一个内核线程“khubd”，PID=40，一旦有USb设备接入，这个内核线程就能捕捉到，并调用相应的驱动探测函数。这些内容在系统启动以后根文件系统的／sys或／proc相关目录下可以找到。Linux USb主机端驱动涉及的主要数据结构有：
usb_driver：USb接口驱动程序结构体；

usb_device_driver：USb设备驱动程序结构体；

usb_bus：USb总线结构体；
usb_device：USb设备结构体；
urb：USb请求结构体。
在每个USb设备驱动程序里都有1个设备表usb_device_id，用来保存此设备驱动程序所支持的USb设备，如U盘驱动程序的ID表名为usb_storage_ids，如果有些USb设备的驱动Linux内核并不支持，就可以把这些USb设备的数据(包括设备供应商编号、产品编号、供应商名称、产品名称、USb协议、初始化函数、标记等，这些信息的获取不依赖于特定的设备驱动程序，设备接入后可以从根文件系统的目录／proc中查看到)添加到相关设备驱动程序的usb_device_ids中去，如U盘的驱动程序设备表id_storage_ids在内核头文件／drivers／usb／storage／unusual_devs.h中。每当有USb设备接入系统，USb内核的执行步骤如图4所示：

在device-add()函数中内核将该USb设备添加到USb总线上，并调用USb总线的匹配函数usb_device_match()寻找这个设备的驱动程序，最终将该设备与匹配的驱动程序绑定。
3 U盘设备驱动示例
U盘是USb存储器的通称，在内核中被定义为USbMass Storage，除了默认配置以外，要在Linux中使用U盘还必须完成以下步骤：
(1)SCSl支持
U盘属于海量存储设备，Linux将它定义为SCSI块设备，所以必须要配置这个选项。内核配置选项如下：

(2)Windows文件系统支持
U盘可能大都是Windows下的文件格式，所以这里有必要选上对Windows下文件格式和语言的支持。内核配置选项如下：

(3)USb驱动支持
USb驱动主要包括对USb主机端的支持、USb文件系统、OHCI协议、USb Mass Storage的支持。内核配置选项如下：

(4)在／dev目录下新建sda设备节点
为了能够顺利地访问USb设备，必须在／dev目录下建立相应的设备节点。由于U盘被定义为块设备，所以必须建立SCSI块设备节点，命令如下：
mknod-m 600 sda*b8*
这里的“*”根据不同的系统而不同。假如有很多的SCSI设备则需要建立许多的sda*设备节点，至于U盘具体是哪一个设备节点，则需要根据fdisk命令来查询。
(5)安装U盘
将U盘插入后，首先我们可以通过fdisk-1命令看到U盘的信息(包括该U盘是第几个SCSI块设备节点，容量是多少等等)，然后通过命令mount-t vfat／dev／sda*／mnt／usb(前提是已经在／mnt目录下建立了usb目录，并且U盘的格式为Windows下的vfat)安装U盘到指定的目录下。这里的“*”由fdisk命令显示的内容来定。
(6)运行结果
先将U盘插入主机端接口，再启动系统，就会打印出以下相关的信息：


根文件系统启动以后，可以通过cat命令显示该U盘的相关信息，如：／cat／proc／bus／usb／devices。
4 结语
随着USb接口越来越广泛的应用，USb-IF在2000年推出了USb 2.0规范。USb 2.0规范在兼容USb 1.X规范的基础上支持480 Mb／s的高速数据传输。同时随着Linux内核的不断扩充，内核将支持越来越多的USb设备和USb主机控制器，这对于USb的普及和应用有很重要的意义。