【驱动】USB驱动实例·串口驱动·键盘驱动

发布时间：2020-06-24 13:00:30 来源：网络阅读：971 作者：infohacker 栏目：移动开发

Preface

USB体系支持多种类型的设备。

在 Linux内核，所有的USB设备都使用 usb_driver结构描述。

对于不同类型的 USB设备，内核使用传统的设备驱动模型建立设备驱动描述，然后映射到 USB设备驱动，最终完成特定类型的 USB设备驱动

USB驱动·入门：http://infohacker.blog.51cto.com/6751239/1226257

USB串口驱动

USB串口驱动关键是向内核注册串口设备结构，并且设置串口的操作。

下面是一个典型的USB设备驱动分析。

1、驱动初始化函数

usb_serial_init()函数是一个典型的 USB设备驱动初始化函数，定义如下：

static int __init usb_serial_init(void)
{
    int i;
    int result;
    usb_serial_tty_driver = alloc_tty_driver(SERIAL_TTY_MINORS);    //申请 tty设备驱动描述
    if (!usb_serial_tty_driver)
        return -ENOMEM;
    /* Initialize our global data */
    for (i = 0; i < SERIAL_TTY_MINORS; ++i) {
        serial_table[i] = NULL;
    }
    result = bus_register(&usb_serial_bus_type);    //注册总线
    if (result) {
        err("%s - registering bus driver failed", __FUNCTION__);
        goto exit_bus;
    }
    usb_serial_tty_driver->owner = THIS_MODULE;  //初始化串口驱动描述
    usb_serial_tty_driver->driver_name = "usbserial";    //串口驱动名称
    usb_serial_tty_driver->name =    "ttyUSB";   //设备文件系统存放路径
    usb_serial_tty_driver->major = SERIAL_TTY_MAJOR; //串口设备主设备号
    usb_serial_tty_driver->minor_start = 0;  //串口设备从设备号起始 ID
    usb_serial_tty_driver->type = TTY_DRIVER_TYPE_SERIAL;    //设备类型
    usb_serial_tty_driver->subtype = SERIAL_TYPE_NORMAL; //设备子类型
    usb_serial_tty_driver->flags = TTY_DRIVER_REAL_RAW | TTY_DRIVER_DYNAMIC_DEV; //设备初始化标志
    usb_serial_tty_driver->init_termios = tty_std_termios;   //串口设备描述
    usb_serial_tty_driver->init_termios.c_cflag = B9600 | CS8 | CREAD | HUPCL | CLOCAL;  //串口设备初始化参数
    tty_set_operations(usb_serial_tty_driver, &serial_ops); //串口设备操作函数
    result = tty_register_driver(usb_serial_tty_driver);    //注册串口驱动
    if (result) {
        err("%s - tty_register_driver failed", __FUNCTION__);
        goto exit_reg_driver;
    }
    /* register the USB driver */
    result = usb_register(&usb_serial_driver);  //注册 USB驱动
    if (result < 0) {
        err("%s - usb_register failed", __FUNCTION__);
        goto exit_tty;
    }
    /* register the generic driver, if we should */
    result = usb_serial_generic_register(debug);
    if (result < 0) {
        err("%s - registering generic driver failed", __FUNCTION__);
        goto exit_generic;
    }
    info(DRIVER_DESC);
    return result;
exit_generic:
    usb_deregister(&usb_serial_driver); //注销串口设备
exit_tty:
    tty_unregister_driver(usb_serial_tty_driver);   //注销 USB串口设备
exit_reg_driver:
    bus_unregister(&usb_serial_bus_type);   //注销总线
exit_bus:
    err ("%s - returning with error %d", __FUNCTION__, result);
    put_tty_driver(usb_serial_tty_driver);
    return result;
}

函数首先调用 alloc_tty_driver()函数分配一个串口驱动描述符；然后设置串口驱动的属性，包括驱动的主从设备号、设备类型、串口初始化参数等；串口驱动描述符设置完毕后，调用 usb_register()函数注册 USB串口设备。

2、驱动释放函数

驱动释放函数用来释放 USB串口设备驱动申请的内核资源，函数定义如下：

static int __init usb_serial_init(void)
{
    int i;
    int result;
    usb_serial_tty_driver = alloc_tty_driver(SERIAL_TTY_MINORS);    //申请 tty设备驱动描述
    if (!usb_serial_tty_driver)
        return -ENOMEM;
    /* Initialize our global data */
    for (i = 0; i < SERIAL_TTY_MINORS; ++i) {
        serial_table[i] = NULL;
    }
    result = bus_register(&usb_serial_bus_type);    //注册总线
    if (result) {
        err("%s - registering bus driver failed", __FUNCTION__);
        goto exit_bus;
    }
    usb_serial_tty_driver->owner = THIS_MODULE;  //初始化串口驱动描述
    usb_serial_tty_driver->driver_name = "usbserial";    //串口驱动名称
    usb_serial_tty_driver->name =    "ttyUSB";   //设备文件系统存放路径
    usb_serial_tty_driver->major = SERIAL_TTY_MAJOR; //串口设备主设备号
    usb_serial_tty_driver->minor_start = 0;  //串口设备从设备号起始 ID
    usb_serial_tty_driver->type = TTY_DRIVER_TYPE_SERIAL;    //设备类型
    usb_serial_tty_driver->subtype = SERIAL_TYPE_NORMAL; //设备子类型
    usb_serial_tty_driver->flags = TTY_DRIVER_REAL_RAW | TTY_DRIVER_DYNAMIC_DEV; //设备初始化标志
    usb_serial_tty_driver->init_termios = tty_std_termios;   //串口设备描述
    usb_serial_tty_driver->init_termios.c_cflag = B9600 | CS8 | CREAD | HUPCL | CLOCAL;  //串口设备初始化参数
    tty_set_operations(usb_serial_tty_driver, &serial_ops); //串口设备操作函数
    result = tty_register_driver(usb_serial_tty_driver);    //注册串口驱动
    if (result) {
        err("%s - tty_register_driver failed", __FUNCTION__);
        goto exit_reg_driver;
    }
    /* register the USB driver */
    result = usb_register(&usb_serial_driver);  //注册 USB驱动
    if (result < 0) {
        err("%s - usb_register failed", __FUNCTION__);
        goto exit_tty;
    }
    /* register the generic driver, if we should */
    result = usb_serial_generic_register(debug);
    if (result < 0) {
        err("%s - registering generic driver failed", __FUNCTION__);
        goto exit_generic;
    }
    info(DRIVER_DESC);
    return result;
exit_generic:
    usb_deregister(&usb_serial_driver); //注销串口设备
exit_tty:
    tty_unregister_driver(usb_serial_tty_driver);   //注销 USB串口设备
exit_reg_driver:
    bus_unregister(&usb_serial_bus_type);   //注销总线
exit_bus:
    err ("%s - returning with error %d", __FUNCTION__, result);
    put_tty_driver(usb_serial_tty_driver);
    return result;
}

3、串口操作函数

USB串口设备驱动使用了一个 tty_operations类型的结构，该结构包含了串口的所有操作。定义如下：

static struct tty_operations serial_ops = {
    .open =         serial_open,    //打开串口
    .close =        serial_close,   //关闭串口
    .write =        serial_write,   //串口写操作
    .write_room =       serial_write_room,
    .ioctl =        serial_ioctl,   // I/O控制操作
    .set_termios =      serial_set_termios, //设置串口参数
    .throttle =     serial_throttle,
    .unthrottle =       serial_unthrottle,
    .break_ctl =        serial_break,   // break信号处理
    .chars_in_buffer =  serial_chars_in_buffer, //缓冲处理
    .read_proc =        serial_read_proc,   //串口读操作
    .tiocmget =     serial_tiocmget,    //获取 I/O控制参数
    .tiocmset =     serial_tiocmset,    //设置 I/O控制参数
};

serial_ops结构变量设置的所有串口操作函数，均使用内核 USB核心提供的标准函数，定义在/drivers/usb/serial/generic.c文件中

USB键盘驱动

USB键盘驱动与串口驱动结构类似，不同是的使用USB设备核心提供的usb_keyboard_driver结构作为设备核心结构。下面是 USB键盘驱动的重点部分。

1、驱动初始和注销

USB键盘驱动初始化和注销函数定义如下：

static int __init usb_kbd_init(void)
{
    int result = usb_register(&usb_kbd_driver); //注册 USB设备驱动
    if (result == 0)
        info(DRIVER_VERSION ":" DRIVER_DESC);
    return result;
}
static void __exit usb_kbd_exit(void)
{
    usb_deregister(&usb_kbd_driver);    //注销 USB设备驱动
}

usb_kbd_init()函数在驱动加载的时候调用，该函数使用 usb_register()函数向内核注册一个 USB设备驱动；usb_kbd_exit()函数在卸载驱动程序的时候调用，该函数使用 usb_deregister()函数注销 USB设备。初始化和注销函数使用了 usb_keyboard结构变量，用于描述 USB键盘驱动程序，定义如下：

//usb_driver结构体
static struct usb_driver usb_keyboard =
{
    .name = "usbkbd",   //驱动名称
    .probe = usb_kbd_probe, //检测设备函数
    .disconnect = usb_kbd_disconnect,   //断开连接函数
    .id_table = usb_kbd_id_table,   //设备 ID
};

从 usb_keyboard结构定义看出，usb_kbd_probe()函数是设备检测函数；

usb_kbd_disconnect()函数是断开设备连接。

2、设备检测函数

设备检测函数在插入 USB设备的时候被USB文件系统调用，负责检测设备类型是否与驱动相符。如果设备类型与驱动匹配，则向 USB核心注册设备。

函数定义如下：

static int usb_kbd_probe(struct usb_interface *iface,
             const struct usb_device_id *id)
{
    struct usb_device *dev = interface_to_usbdev(iface);
    struct usb_host_interface *interface;
    struct usb_endpoint_descriptor *endpoint;
    struct usb_kbd *kbd;
    struct input_dev *input_dev;
    int i, pipe, maxp;
    interface = iface->cur_altsetting;
    if (interface->desc.bNumEndpoints != 1)  //检查设备是否符合
        return -ENODEV;
    endpoint = &interface->endpoint[0].desc;
    if (!(endpoint->bEndpointAddress & USB_DIR_IN))
        return -ENODEV;
    if ((endpoint->bmAttributes & USB_ENDPOINT_XFERTYPE_MASK) != USB_ENDPOINT_XFER_INT)
        return -ENODEV;
    pipe = usb_rcvintpipe(dev, endpoint->bEndpointAddress);  //创建端点的管道
    maxp = usb_maxpacket(dev, pipe, usb_pipeout(pipe));
    kbd = kzalloc(sizeof(struct usb_kbd), GFP_KERNEL);
    input_dev = input_allocate_device();    //分配 input_dev结构体
    if (!kbd || !input_dev) //分配设备结构占用的内存
        goto fail1;
    if (usb_kbd_alloc_mem(dev, kbd))
        goto fail2;
    kbd->usbdev = dev;
    kbd->dev = input_dev;
    if (dev->manufacturer)   //检查制造商名称
        strlcpy(kbd->name, dev->manufacturer, sizeof(kbd->name));
    if (dev->product) {  //检查产品名称
        if (dev->manufacturer)
            strlcat(kbd->name, " ", sizeof(kbd->name));
        strlcat(kbd->name, dev->product, sizeof(kbd->name));
    }
    if (!strlen(kbd->name))
        snprintf(kbd->name, sizeof(kbd->name),
             "USB HIDBP Keyboard %04x:%04x",
             le16_to_cpu(dev->descriptor.idVendor),
             le16_to_cpu(dev->descriptor.idProduct));
    usb_make_path(dev, kbd->phys, sizeof(kbd->phys));
    strlcpy(kbd->phys, "/input0", sizeof(kbd->phys));
    //初始化输入设备
    input_dev->name = kbd->name;  //输入设备名称
    input_dev->phys = kbd->phys;  //输入设备物理地址
    usb_to_input_id(dev, &input_dev->id);    //输入设备 ID
    input_dev->cdev.dev = &iface->dev;
    input_dev->private = kbd;
    input_dev->evbit[0] = BIT(EV_KEY) | BIT(EV_LED) | BIT(EV_REP);
    input_dev->ledbit[0] = BIT(LED_NUML) | BIT(LED_CAPSL) | BIT(LED_SCROLLL) | BIT(LED_COMPOSE) | BIT(LED_KANA);
    for (i = 0; i < 255; i++)
        set_bit(usb_kbd_keycode[i], input_dev->keybit);
    clear_bit(0, input_dev->keybit);
    input_dev->event = usb_kbd_event;
    input_dev->open = usb_kbd_open;
    input_dev->close = usb_kbd_close;
    //初始化中断 urb
    usb_fill_int_urb(kbd->irq, dev, pipe,
             kbd->new, (maxp > 8 ? 8 : maxp),
             usb_kbd_irq, kbd, endpoint->bInterval);
    kbd->irq->transfer_dma = kbd->new_dma;
    kbd->irq->transfer_flags |= URB_NO_TRANSFER_DMA_MAP;
    kbd->cr->bRequestType = USB_TYPE_CLASS | USB_RECIP_INTERFACE;
    kbd->cr->bRequest = 0x09;
    kbd->cr->wValue = cpu_to_le16(0x200);
    kbd->cr->wIndex = cpu_to_le16(interface->desc.bInterfaceNumber);
    kbd->cr->wLength = cpu_to_le16(1);
    //初始化中断 urb
    usb_fill_control_urb(kbd->led, dev, usb_sndctrlpipe(dev, 0),
                 (void *) kbd->cr, kbd->leds, 1,
                 usb_kbd_led, kbd);
    kbd->led->setup_dma = kbd->cr_dma;
    kbd->led->transfer_dma = kbd->leds_dma;
    kbd->led->transfer_flags |= (URB_NO_TRANSFER_DMA_MAP | URB_NO_SETUP_DMA_MAP);
    input_register_device(kbd->dev); //注册输入设备
    usb_set_intfdata(iface, kbd);   //设置接口私有数据
    return 0;
fail2:  usb_kbd_free_mem(dev, kbd);
fail1:  input_free_device(input_dev);
    kfree(kbd);
    return -ENOMEM;
}

函数一开始检测设备类型，如果与驱动程序匹配，则创建 USB设备端点，分配设备驱动结构占用的内存。分配好设备驱动使用的结构后，申请一个键盘设备驱动节点，然后设置键盘驱动，最后设置 USB设备的中断 URB和控制 URB，供 USB设备核心使用。

3、设备断开连接函数

在设备断开连接的时候，USB文件系统会调用 usb_kbd_disconnect()函数，释放设备占用的资源。

函数定义如下：

static void usb_kbd_disconnect(struct usb_interface *intf)
{
    struct usb_kbd *kbd = usb_get_intfdata (intf);
    usb_set_intfdata(intf, NULL);   //设置接口私有数据为 NULL
    if (kbd) {
        usb_kill_urb(kbd->irq);  //终止 URB
        input_unregister_device(kbd->dev);   //注销输入设备
        usb_kbd_free_mem(interface_to_usbdev(intf), kbd);   //释放设备驱动占用的内存
        kfree(kbd);
    }
}

usb_kbd_disconnect()函数释放 USB键盘设备占用的 URB资源，然后注销设备，最后调用usb_kbd_free_mem()函数，释放设备驱动结构变量占用的内存。

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