Linux驱动程序的基本原理
Linux下开发设备驱动程序的原理较之Windows系统来说结构层次简单明了。Linux操作系统中定义了三种设备，即字符设备、块设备和网络设备。字符设备是指存取时没有缓存的设备。块设备的读写都有缓存来支持,并且块设备必须能够随机存取,字符设备则没有这个要求，USB设备主要通过快速串行通信来读写数据，一般把它作为字符设备处理。
挂在Linux系统上的每个设备都被描述为设备驱动程序文件，一些与设备有关的设备参数文件被保存在/dev目录下。用户自己提供或编写设备驱动时，也需要在/dev目录下有一个设备文件。设备驱动程序可以分为三个主要组成部分：一是自动配置和初始化子程序 二是服务于I/O请求的子程序 三是中断服务子程序。
用户对设备的访问主要有如下函数：
open，打开设备，典型的用法如下：open("/dev/xxx", flag); flag指定打开的参数，例如读写属性等；open函数返回一个整数fd句柄，如果fd小于0，表示打开错误。
read, write读写函数，用法如下：read(int fd, char *buf, char length,..)。
ioctrl设备控制函数，用户各类设备的特殊控制。
驱动程序的设计就是实现上述四个函数与外加一个设备初始化函数。这些函数在设备驱动程序中可以是dev_init(),dev_open(),dev_read(), dev_write(),dev_ioctrl()等。声明一个称之为file operation的结构体将用户级的open等函数与设备dev_open()等函数联系起来。例如
static struct file_operations dev-xxx_fops = {
NULL, /* lseek */
dev_read, /* read */
dev_write, /* write */
NULL, /* readdir */
NULL, /* select */
NULL, /* ioctl */
NULL, /* mmap */
dev_open,
dev_close,
NULL /* fsync */
};
为了将用户驱动程序与内核结合起来，首先向内核注册，请求内核分配主设备号与次设备号；二是注册中断，以便外部设备向CPU发出中断后能够处理设备中断函数。这些操作的一半在dev_init()函数内完成。dev_init()函数除了注册设备与注册中断外，还要完成设备特有寄存器初始化等操作。驱动程序与内核结合起来后，为了让应用程序能够访问该设备，还需要做一些额外的工作。前面提到，应用程序对设备的访问是通过访问文件的形式实现的，所以要建立一个文件节点与该设备相关联，使用命令 ：
mknod /dev/xxx option major minor
可以实现上述的关联。该命令的含义是建立一个/dev/xxx的文件节点，并且把特定主设备号与次设备号的设备与该节点关联。Option选项指定设备的类型，字符型还是块设备。有了关联后，应用程序要访问该设备，只要调用open (“dev/xxx”,...)函数即可。
MPC850 USB
MPC850是Motorola公司生产的32位嵌入式通信处理器，具有强大的通信和网络协议处理能力，特别适用于嵌入式通信和网络系统，它提供的功能与MPC860相似，在MPC860系统功能基础上增加了对USB的支持。
MPC850 USB不提供任何OHCI和UHCI接口,但它有作为主机控制器必须的功能。MPC850 USB没有与根集线器连接，当不止一个USB设备时需接一个外部集线器。在MPC850中主控制器类似于功能单元(function)，它不遵循OHCI和UHCI标准。USB控制器由一个发送模块、一个接收模块、两个协议状态机构组成。一个协议机构执行功能状态表，另一个执行主机状态表。USB控制器可完成一个USB功能端点，一个USB主机和两种检测的任务。主控制器的特点如下：
USB驱动程序由主控制驱动程序、USB子系统、USB设备驱动程序。
在Linux系统中存在一个连接USB设备驱动程序和主控制器驱动程序的子系统USBcore，它通过定义一些数据结构、宏和功能函数来抽象所有的硬件设备。USBcore提供了为硬件处理的所有下层接口，包含所有USB设备驱动和主机控制的通用程序，可称为UpperAPI和LowerAPI。USB子系统提供与设备驱动程序的接口，读取并解析USB设备描述符，配置描述符，为USB设备分配唯一的地址，使用默认的配置来配置设备，支持基本的USB命令请求，连接设备与相应的驱动程序，转发设备驱动程序的数据包。
虽然前面讲了驱动程序有两种加载模式，但是，如果 USBcore或主控制器驱动程序是内核模式，USB设备驱动程序就以模块方式加载。用usb_register和usb_deregister向USBcore子系统注册和注销驱动程序。所有USB驱动程序都有一个向子系统注册的结构。
struct usb_driver{
const char *name; /*模块名字*/
void *(*probe, struct usb_device*, unsigned int); /*probe 功能入口点*/
void (*disconnect, struct usb_device*, void*); /*disconnect功能入口点*/
struct list_head driver_list; /*子系统内部初始化*/
struct file_operations fops; /对驱动函数文件列表*/
int minor;
}
在高速USB中时序安排是以1帧为基本要素的，每1ms为1帧，在每帧要产生并发送SOF包之外，还需要一个微码通道。同步传输和中断传输占90％的有效带宽，控制传输占10％，剩下的为块传输，如下表所示：
SOF Isochronous Interrupt Control Bulk
控制传输完成了设备的配置，设备的轮流检测是由中断传输完成，大量的数据传输由块传输和同步传输完成。
MPC850是不支持这样的时序调度的，我们用1ms的时序器产生一个中断并在软件中运行这个调度。每个SOF时序里我们都加入一个SOF包到tx列表中，并监视发送包的列表，包是依据优先权来加入的。在每帧开始时，检查未处理事务，将符合优先级的队列元素放到当前帧中。驱动程序跟踪处理事务的设备，并不再向它发送事务。程序中用一个队列结构来完成这一调度的。如: 下面是分派队列元素到发送帧的结构。
struct m8xxhci_qe *
take_from_current_frame(int qtype)
{
struct m8xxhci_private *hp = (struct m8xxhci_private *)m8xxhci_ptr;
unsigned long flags;
struct list_head *list;
struct m8xxhci_qe *qe = NULL;
┋
if (!list_empty(list)) {
┋
qe->on_frame_list = 0;
┋
}
spin_unlock_irqrestore(&framelist_lock, flags);
return qe;
}
MPC850 USB主控制器的有些任务是硬件不支持的，必须由软件来实现。例如，发生错误及错误恢复后的重传、每秒产生和传输SOF、CRC5的产生等。这些功能是通过相应的结构体来完成，主控制器驱动向USBcore数据结构注册它的功能函数，它完成接口硬件的初始化、状态控制、传输差错控制、发送SOF帧、数据处理。
结构的每一个成员的名字都对应着一个系统调用，剩下的主要是子函数及结构体的编写，而编写子函数就很容易了。
结语
嵌入式Linux以及USB设备的应用越来越广泛。本文分析了MPC850 USB控制器的特点，描述了在嵌入式Linux操作系统下设备驱动程序的实现，对于使用PowerPC 系列CPU的开发人员具有一定的借鉴作用．