一、引言
USB(Universal Serial Bus)即通用串行总线，是一种全新的双向同步传输的支持热插拔的数据传输总线，其目的是为了提供一种兼容不同速度的、可扩充的并且使用方便的外围设备接口，同时也是为了解决计算机接口的太多的弊端而设计的。一个USB系统主要有三部分组成：USB互连、USB主机、USB设备三部分组成的，其结构如图1所示。在编写USB设备驱动程序设计时，可以分为三部分编写：主机端设备驱动程序、主机控制器驱动程序设计和设备端驱动程序三部分，在本文中重点介绍主机端驱动程序的设计。
二、USB设备驱动程序的设计
USB设备驱动程序的设计包括主机端设备驱动程序设计、主机控制器驱动程序设计和设备端驱动程序设计三部分组成。主机端设备驱动程序就是通常说的设备驱动程序，它是主机环境中为用户应用程序提供一个访问USB外设的接口。Linux为这部分驱动程序提供编程接口，驱动程序设计者只要按照需求编写驱动程序框架，通过调用操作系统提供的API接口函数可以完成对USB外设的特定访问。
主机控制驱动主要是对USB主机控制器的驱动，在大多数PC环境下，主机控制器都是由操作系统提供。嵌入式设备一般都没有USB主机控制器，只是工作在Slave模式下。如果要使USB具有主机功能，那么设备中需要选用一个带主机控制器的USB接口控制芯片， 同时自己还要有实现该主机控制器的驱动程序。目前Linux内核中只提供USB主机控制器的开放主机控制器和通用主机控制器接口两种规格，而这两种规格主要用在PC架构中。USB主机端驱动程序与主机控制器的结构如图2所示。其中USB核是Linux的一个子模块，集中定义了一组USB相关的数据结构、宏以及API函数。
USB设备驱动程序是常说的设备固件程序的一部分，提供设备信息与主机的通信接口。设备端USB驱动程序设计由以下几部分处理程序组成。初始化例程：完成描述符指针、端点、配置改变等操作。数据传输例程：完成控制传输、批量传输、中断传输及同步传输等传输方式下的数据收发工作。标准设备处理请求：处理标准设备请求。厂商请求处理：处理生产商指定请求。其他操作：处理主机发出的端口复位、配置改变等操作。
1.USB设备驱动程序框架
USB驱动程序首先要向Linux内核注册自己，并告诉系统它所支持的设备类型以及它所支持的操作。这些信息通过一个usb_driver结构来传递。usb_driver结构如下：
static struct usb_driver skel_driver = {
name: "skeleton"；/*驱动程序的名称*/
probe: skel_probe； /*设备列举时被调用*/
disconnect: skel_disconnect； /*设备被卸载时被调用*/
fops: &skel_fops； /*指向一个file_operation结构，内核通过它来访问驱动程序的文件操作函数，与用户程序的read、write等操作进行交互*/
minor USB_SKEL_MINOR_BASE； /*指向设备的次设备号，用于系统识别主设备号相同的设备（即一个驱动程序可以同时支持多个USB设备*/
id_table: skel_table； /*保存设备的厂商ID和产品ID，作为该设备的唯一标识，驱动程序向系统注册后，当下次插入时，系统根据这个标识查找正确的驱动程序，实现设备的即插即用*/
};
static struct file_operation skel_fops={
{
owner:THIS_MODULE,
read:skel_read,
write:skel_write,
ioctl:skel_ioctl,
open:skel_open,
release:skel_release,
};
（1）注册和注销
USB驱动程序注册，就是把在初始化函数中填好的use_driver结构作为参数传递给
use_register()函数即可，函数的调用方法为：
result=usb_register(&skel_driver);
当要从系统卸载驱动程序时，也是将use_driver结构作为参数传递给usb_deregister 函数处理。 函数的调用格式为：
static void __exit usb_skel_exit(void)
{ /* deregister this driver with the USB subsystem */
usb_deregister(&skel_driver);
}
module_exit(usb_skel_exit);
当USB设备插入时，为了使linux-hotplug（Linux中PCI、USB等设备热插拔支持）系统自动装载驱动程序，需要创建一个MODULE_device_TABLE。核心代码如下（这个模块仅支持某一特定设备）：
/* 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宏利用厂商ID和产品ID提供了一个设备的唯一标识。当系统插入一个ID匹配的USB设备到USB总线时，驱动会在USB core中注册，驱动程序中probe 函数也就会被调用。usb_device 结构指针、接口号和接口ID都会被传递到函数中。
（2）probe()函数
probe()函数的编写格式为：static void * skel_probe(struct usb_device *dev, unsigned int ifnum, const struct usb_device_id *id)；驱动程序需要确认插入的设备是否可以被接受，如果不接受，或者在初始化的过程中发生任何错误，probe()函数返回一个NULL值。否则返回一个含有设备驱动程序状态的指针，通过这个指针，就可以访问所有结构中的回调函数。
在驱动程序里，最后一点是要注册devfs（设备文件系统）。首先创建一个缓冲用来保存那些被发送给USB设备的数据和那些从设备上接受的数据，并为设备传输创建一个USB请求块（URB）以向设备写入数据，同时USB urb 被初始化，然后在devfs子系统中注册设备，允许devfs用户访问USB的设备。注册过程如下：
/* 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函数失败， devfs子系统会将此情况报告给用户。如果设备从USB总线拔掉，设备指针会调用disconnect 函数。驱动程序就需要清除那些被分配了的所有私有数据、关闭urbs，并且从devfs上注销调自己。调用函数的格式为：
/* remove our devfs node */
devfs_unregister(skel->devfs);
现在，skeleton驱动就已经和设备绑定上了，任何用户态程序要操作此设备都可以通过file_operations结构所定义的函数进行了。
（3）open()、write()和read()函数
首先，要打开此设备。在open()函数中MODULE_INC_USE_COUNT 宏是一个关键，它起到一个计数的作用，有一个用户态程序打开一个设备，计数器就加1。例如，以模块方式加入一个驱动，若计数器不为零，就说明仍然有用户程序在使用此驱动，这时候，就不能通过rmmod命令卸载驱动模块了。
/* 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;
当open完设备后，read()、write()函数就可以收、发数据了。
read()函数首先从open()函数中保存的fi。
Write()函数和read()函数是完成驱动对读写等操作的响应。在skel_write中，一个FILL_BULK_URB函数，就完成了urb 系统callbak和的skel_write_bulk_callback之间的联系。注意skel_write_bulkcallback是中断方式，所以要注意时间不能太久，本程序中它就只是报告一些urb的状态等。 read 函数与write 函数稍有不同在于：程序并没有用urb 将数据从设备传送到驱动程序，而是用usb_bulk_msg 函数代替，这个函数能够不需要创建urbs 和操作urb函数的情况下，来发送数据给设备，或者从设备来接收数据。调用usb_bulk_msg函数并传到一个存储空间，用来缓冲和放置驱动收到的数据，若没有收到数据表示失败并返回一个错误信息。
usb_bulk_msg函数：当对usb设备进行一次读或者写时，usb_bulk_msg 函数是非常有用的; 然而, 当需要连续地对设备进行读/写时，应建立一个自己的urbs，同时将urbs 提交给USB子系统。
skel_disconnect函数：当释放设备文件句柄时，这个函数会被调用。
MOD_DEC_USE_COUNT宏也会被调用到（和MOD_INC_USE_COUNT刚好对应，它减少一个计数器），首先确认当前是否有其他的程序正在访问这个设备，如果是最后一个用户在使用，可以关闭任何正在发生的写，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;
USB设备可以在任何时间点从系统中取走，即使程序目前正在访问它。USB驱动程序必须要能够很好地处理解决此问题，它需要能够切断任何当前的读写，同时通知用户空间程序：USB设备已经被取走。
2.设计实例
下面通过介绍键盘飞梭驱动程序的实例来让读者更好的理解USB驱动程序的工作原理，实现代码如下：
/*需要的头文件*/
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/slab.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/input.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/usb.h>
#include <linux/kbd_ll.h>
/* 驱动程序版本信息*/
#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
/*厂商和产品ID信息就是/proc/bus/usb/devices中看到的值，通过cat/proc/bus/usb/devices得到当前系统探测到的USB总线上的设备信息。它包括Vendor、ProdID、Product等*/
MODULE_AUTHOR( DRIVER_AUTHOR );
MODULE_DESCRIPTION( DRIVER_DESC );
/*此结构来自内核中drivers/usb/usbkbd.c*/
struct usb_kbd {
struct input_dev dev;
struct usb_device *usbdev;
unsigned char new[8];
unsigned char old[8];
struct urb irq, led;
struct usb_ctrlrequest dr;
unsigned char leds, newleds;
char name[128];
int open;
};
static void usb_kbd_irq(struct urb *urb) /*urb为USB请求块*/
{
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);
三、结语
USB规范是一门比较新的技术，接口使用方便，但是驱动程序的设计较复杂。上面介绍了USB设备驱动程序的设计，主要分析了主机端驱动程序的设计，并且给出了一个编写USB驱动程序的实例。