嵌入式linux下USB設(shè)備自動(dòng)加載

董光

(長(zhǎng)春理工大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)學(xué)院，長(zhǎng)春 130022)

在Linux操作系統(tǒng)中，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是操作系統(tǒng)內(nèi)核與硬件設(shè)備之間的接口，分為驅(qū)動(dòng)程序與操作系統(tǒng)內(nèi)核的接口、驅(qū)動(dòng)程序與系統(tǒng)引導(dǎo)的接口、驅(qū)動(dòng)程序與設(shè)備的接口[1]。它屏蔽了硬件的細(xì)節(jié)，是內(nèi)核的一部分，完成對(duì)設(shè)備初始化和釋放；對(duì)設(shè)備進(jìn)行管理，包括實(shí)時(shí)參數(shù)設(shè)置以及提供對(duì)設(shè)備的操作接口；負(fù)責(zé)應(yīng)用程序和設(shè)備文件間的數(shù)據(jù)傳輸；檢測(cè)處理設(shè)備出現(xiàn)的錯(cuò)誤[2]。在應(yīng)用程序看來(lái)，硬件設(shè)備只是一個(gè)設(shè)備文件，應(yīng)用程序可以像操作普通文件一樣對(duì)硬件設(shè)備進(jìn)行操作。

1 嵌入式linux驅(qū)動(dòng)分析

1.1 Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

每個(gè)設(shè)備文件都有其文件屬性(c/b)，表示是字符設(shè)備還是塊設(shè)備。兩個(gè)設(shè)備號(hào)，主設(shè)備號(hào)標(biāo)識(shí)驅(qū)動(dòng)程序，取值空間是0到255，其中USB設(shè)備是180。從設(shè)備號(hào)標(biāo)識(shí)使用同一個(gè)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的不同的硬件設(shè)備[3]。

設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序由三部分組成：1.自動(dòng)配置和初始化子程序，負(fù)責(zé)檢測(cè)所要驅(qū)動(dòng)的硬件設(shè)備是否存在和是否能正常工作。2.服務(wù)于 I/O的子程序，又稱(chēng)驅(qū)動(dòng)程序的上半部分。3.中斷服務(wù)程序，又稱(chēng)驅(qū)動(dòng)程序的下半部。

在 linux中，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是核心的一部分，象核心中其它代碼一樣，出錯(cuò)將導(dǎo)致系統(tǒng)的嚴(yán)重?fù)p傷。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序必須為L(zhǎng)inux核心或者其從屬子系統(tǒng)提供一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)接口。多數(shù)的Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序可以在核心模塊發(fā)出加載請(qǐng)求時(shí)進(jìn)行加載，同時(shí)在不再使用設(shè)備時(shí)進(jìn)行卸載。Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序可以連接到核心中。當(dāng)核心被編譯時(shí)，哪些驅(qū)動(dòng)程序被連入核心是用戶自己可以進(jìn)行配置的。當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)及設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序初始化的時(shí)候查找它所控制的硬件設(shè)備。

1.2 USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)

Linux為USB創(chuàng)建了USB文件系統(tǒng)，所有的USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和任何連接到主機(jī)的USB設(shè)備的接口都被USB文件系統(tǒng)管理。USB文件系統(tǒng)使得所有USB設(shè)備看起來(lái)只是一個(gè)普通文件，并且對(duì)USB總線上的設(shè)備的增加和刪除進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)控[4]。

USB系統(tǒng)包括硬件電路和軟件兩部分，硬件上通過(guò)USB芯片實(shí)現(xiàn)。軟件部分由USB主機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)程序HCD(Host Controller Driver)、USB核心驅(qū)動(dòng)USBD(UniversalSerialBusDriver)和USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)組成。其中HCD和USBD就是我們通常說(shuō)的協(xié)議棧，這兩部分共同處理與協(xié)議相關(guān)的操作，如圖1所示?？蛻舳蓑?qū)動(dòng)程序可以包含多個(gè)，不同的功能接口對(duì)應(yīng)不同的驅(qū)動(dòng)程序，它們不直接與 USB設(shè)備硬件打交道，而是通過(guò)協(xié)議棧的抽象處理來(lái)完成與設(shè)備的不同功能接口之間的通信[5]。

圖1 USB系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)Fi.1 Systematic adecker of USB

USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)是最終與應(yīng)用程序交互的軟件模塊，其主要為應(yīng)用程序提供訪問(wèn)接口、提供驅(qū)動(dòng)程序管理、設(shè)備接口的插拔處理和對(duì)設(shè)備控制與驅(qū)動(dòng)等功能。但是，對(duì)于不同設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，其功能的具體實(shí)現(xiàn)不同，在開(kāi)發(fā)時(shí)，須對(duì) USB提供類(lèi)協(xié)議進(jìn)行分析。

2 熱插拔腳本實(shí)現(xiàn)USB設(shè)備自動(dòng)加載

2.1 USB Host的OHCI標(biāo)準(zhǔn)

1995 年底，Compaq、Microsoft、NationalSemiconductor公司推出了USBOHCI(Open HostControl Interface，開(kāi)放式主控制器接口)標(biāo)準(zhǔn)。OHCI是一個(gè)完全開(kāi)放的標(biāo)準(zhǔn)，它定義了一系列寄存器和相關(guān)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，以統(tǒng)一 USB主機(jī)控制器和驅(qū)動(dòng)程序接口，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2OHCI在USB中的層次Fig.2 OHCI is in arrangement of ideas in USB

2.2 Linux的USB OHCI驅(qū)動(dòng)程序接口分析

因?yàn)橛蠴HCI定義的寄存器標(biāo)準(zhǔn)，Linux下也提供相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序，所以只要符合OHCI標(biāo)準(zhǔn)的USB主機(jī)接口，很容易在Linux下被驅(qū)動(dòng)起來(lái)。

常用的 USB設(shè)備主要有 U盤(pán)、USB鍵盤(pán)/鼠標(biāo)、USB攝像頭等，它們?cè)贚inux內(nèi)核中都有相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序?？赏ㄟ^(guò)配置Linux內(nèi)核時(shí)在USBsupport菜單中添加對(duì)各種USB設(shè)備的支持。U盤(pán)的驅(qū)動(dòng)程序是USBMass Storage support;USB鍵盤(pán)/鼠標(biāo)是USBHumanInterfaceDevices(HID)。使用PreliminaryUSBdevicefilesystem選項(xiàng)，可開(kāi)啟USB設(shè)備文件系統(tǒng)的支持。系統(tǒng)啟動(dòng)后通過(guò)命令Mount-t usbdevfs none/proc/bus/usb加載 USB設(shè)備文件系統(tǒng)。

從上述可以看到，USB總線上有兩個(gè)設(shè)備：最底層是 OHCI標(biāo)準(zhǔn)的根 Hub(Product=USB OHCI RootHub)，在它上面是一個(gè)USB大容量存儲(chǔ)設(shè)備(Product=USB Mass Storage Device)，也就是 U盤(pán)。

2.3 USB熱插拔腳本

USB是一種熱插拔總線，它允許在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)地添加或刪除設(shè)備。但是，還不能實(shí)現(xiàn)USB設(shè)備的自動(dòng)加載，而必須通過(guò)命令掛載后才能正常使用。從linux2.4內(nèi)核開(kāi)始，引入了hotplug的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)熱插拔的支持。在配置內(nèi)核時(shí)，選擇 General setup中的選項(xiàng)Sopporthot-pluggabledevices可實(shí)現(xiàn)內(nèi)核對(duì)hotplug的支持。有了熱插拔的支持后，就可以插入一個(gè)新設(shè)備并立即使用該設(shè)備了，因?yàn)橄到y(tǒng)內(nèi)核可主動(dòng)調(diào)用一個(gè)熱插拔的時(shí)間來(lái)自動(dòng)配置新插入的設(shè)備。熱插拔事件可用來(lái)調(diào)用一個(gè)代理任務(wù)來(lái)配置適配器、子系統(tǒng)或程序。代理任務(wù)利用腳本來(lái)處理并管理這種配置。這種腳本的框架就稱(chēng)為熱插拔策略代理。這些代理與/sbin/hotplug腳本中的一項(xiàng)綁定在一起。這個(gè)腳本可用來(lái)調(diào)試和記錄事件的變化，并控制系統(tǒng)的熱插拔代理。熱插拔代理是目錄/etc/hotplug中的一些腳本文件。一個(gè)熱插拔時(shí)間可調(diào)用一個(gè)或多個(gè)代理類(lèi)型，其名稱(chēng)格式為type.agent。對(duì)于USB設(shè)備來(lái)說(shuō)就是/etc/hotplug/usb.agent。系統(tǒng)上電啟動(dòng)正常以后，一個(gè)USB設(shè)備的hotplug調(diào)用過(guò)程如下：

1.用戶插入U(xiǎn)SB設(shè)備。

2.USB總線報(bào)告有新設(shè)備插入，讀取設(shè)備的PID(product ID)、VID(vendor ID)等相關(guān)信息。

3.如果找到驅(qū)動(dòng)程序，則 Linux會(huì)自動(dòng)加載對(duì)應(yīng)的USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。

4.內(nèi)核調(diào)用文件系統(tǒng)中的/sbin/hotplug腳本，并傳遞相關(guān)的環(huán)境變量。

5./sbin/hotplug腳本進(jìn)行解析后，發(fā)現(xiàn)是 USB設(shè)備，它會(huì)調(diào)用USB設(shè)備配置代理腳本/etc/hotplug/usb.agent。

6./etc/hotplug/usb.agent腳本根據(jù)讀取到的設(shè)備信息PID、VID和Class等判斷設(shè)備類(lèi)型，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的動(dòng)作，如模塊加載對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序等。

從這個(gè)過(guò)程中可見(jiàn)，hotplug是內(nèi)核主動(dòng)發(fā)起調(diào)用應(yīng)用程序的過(guò)程。/sbin/hotplug腳本是所有 hotplug的入口。

其關(guān)鍵腳本如下：

如果有 USB設(shè)備插入系統(tǒng)內(nèi)核，就會(huì)相當(dāng)于以下面命令行的方式調(diào)用hotplug腳本：

經(jīng)過(guò)/sbin/hotplug，/etc/hotplug/usb.agent就會(huì)被調(diào)用。

2.4 U盤(pán)的自動(dòng)加載實(shí)現(xiàn)

本文的開(kāi)發(fā)環(huán)境是在 Windows下安裝虛擬機(jī)VMWare5.5，并在虛擬機(jī)中安裝Linux Red Hat 9.0操作系統(tǒng)，所有工作都是在此環(huán)境下完成的。

在安裝 Linux系統(tǒng)時(shí)，選擇“內(nèi)核開(kāi)發(fā)”選項(xiàng)，內(nèi)核源碼就直接安裝在/usr/src的目錄下，版本號(hào)為2.4.20-8。在Linux系統(tǒng)中配置U盤(pán)驅(qū)動(dòng)程序(USB Mass Storage support)，按照Mass Storage協(xié)議，把U盤(pán)作為一個(gè)虛擬的SCSI磁盤(pán)設(shè)備來(lái)使用。所以，要想正常使用 U盤(pán)，還需要內(nèi)核支持SCSI設(shè)備，在配置內(nèi)核時(shí)，選擇對(duì) SCSI設(shè)備(SCSI support)的支持。

系統(tǒng)上電啟動(dòng)正常以后，當(dāng)一個(gè)U盤(pán)插入時(shí)，系統(tǒng)會(huì)發(fā)生如下動(dòng)作：

1.用戶插入U(xiǎn)盤(pán)。

2.USB總線報(bào)告有新設(shè)備插入，讀取設(shè)備相關(guān)信息，得知是U盤(pán)設(shè)備。

3.找到并啟用Mass Storage驅(qū)動(dòng)程序。

4.系統(tǒng)會(huì)添加一個(gè)新的SCSI設(shè)備，并通過(guò)設(shè)備文件系統(tǒng)在/dev/scsi目錄下創(chuàng)建節(jié)點(diǎn)。

5.內(nèi)核調(diào)用文件系統(tǒng)中的/sbin/hotplug腳本，并傳遞相關(guān)的環(huán)境變量。

6./sbin/hotplug腳本進(jìn)行解析后，發(fā)現(xiàn)是 USB設(shè)備，它會(huì)調(diào)用USB設(shè)備配置代理腳本/etc/hotplug/usb.agent。

通常，當(dāng)U盤(pán)插入以后，可通過(guò)命令：

把U盤(pán)掛載到/mnt/udisk目錄下，或者也可使用/etc/fstab中的路徑。

要想實(shí)現(xiàn)U盤(pán)插入以后的自動(dòng)掛載，需在/etc/hotplug/usb.agent腳本中添加如下代碼：

其中，環(huán)境變量$ACTION為add，表示有設(shè)備插入；remove表示設(shè)備被拔出。“USB_MASS_INT_CLASS=”8“”代表 USB Mass Storage設(shè)備(按照USB Mass Storage協(xié)議，所有的U盤(pán)設(shè)備class都為8)。內(nèi)核在調(diào)用hotplug時(shí)，把USB的class通過(guò)參數(shù)傳遞給/sbin/hotplug腳本，接著被傳遞到usb.agent腳本中。usb.agent腳本通過(guò)分析傳遞進(jìn)來(lái)的參數(shù)，把當(dāng)前USB設(shè)備的class記錄在環(huán)境變量$usb_bInterfaceClass中。通過(guò)它與 USB_MASS_INT_CLASS的比較，就可以判斷 U盤(pán)設(shè)備。接著，在“/dev/scsi”目錄下搜索/bus0/target0/lun0/part1設(shè)備，搜索到以后進(jìn)行自動(dòng)加載工作。

3 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù) USB支持熱插拔特性，本文提出了利用熱插拔腳本實(shí)現(xiàn) USB設(shè)備自動(dòng)加載的方法，并對(duì)此方法做了詳細(xì)的說(shuō)明。最后利用熱插拔腳本實(shí)現(xiàn)Linux系統(tǒng)對(duì)U盤(pán)的自動(dòng)加載，完成對(duì)Linux驅(qū)動(dòng)程序的改進(jìn)。

實(shí)現(xiàn) USB設(shè)備的自動(dòng)加從結(jié)果上來(lái)看，利用熱插拔腳本載，無(wú)論使用裝有Linux系統(tǒng)的PC機(jī)還是裝有 Linux系統(tǒng)的嵌入式設(shè)備，用戶在使用USB設(shè)備時(shí)都不再需要手動(dòng)加載。不僅提高工作效率，同時(shí)也避免手動(dòng)加載時(shí)輸入命令容易出錯(cuò)的問(wèn)題。

[1]李駒光，鄭耿.基于嵌入式Linux的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)[J].電腦編程技巧與維護(hù)，2005，11(11)：15-19.

[2]Klaus Wehrle，F(xiàn)rank Pahlke.The Linux Networking Architecture:Design and Implementation of Network Protocols in the Linux Kernel[J].Prentice Hall，2004:99-104.

[3]巍騖，張煥強(qiáng)，方貴明.基于Linux的USB驅(qū)動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2002，22(8)：17-19.

[4]鄭智.嵌入式Linux下USB驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)信息與管理工程版，2006，28(7)：117-120.

[5]Imai，Yoshiro.A Linux-based engineering education with hardware implementation，devicedrivers'programming and network literacy learning[J].ITHET 2004:463-46.