Драйверы устройств в Linux

Часть 11: Драйверы USB в Linux

Оригинал: "Device Drivers, Part 11: USB Drivers in Linux"
Автор: Anil Kumar Pugalia
Дата публикации: October 1, 2011
Перевод: Н.Ромоданов
Дата перевода: июнь 2012 г.

Эта статья, которая является частью серии статей о драйверах устройств в Linux, поможет вам начать писать ваш первый драйвер USB в системе Linux.

Флеш устройство Пагса было именно тем устройством, которым Светлана воспользовалась, когда они сели вдвоем за изучение мира драйверов USB в Linux. Самым быстрым способом с ним разобраться был обычный способ Пагса - выбрать устройство USB и написать для него драйвер для того, чтобы с ним поэкспериментировать. Поэтому они выбрали флэш устройство (т.е. USB флешку), которое было под рукой - JetFlash от Transcend, с ID поставщика 0x058f и ID продукта 0x6387.

Обнаружение устройства USB в Linux

Независимо от того, есть ли драйвер для устройств USB в Linux системе или его нет, допустимое устройство USB всегда будет обнаруживаться в системе Linux в пространстве аппаратных средств и в пространстве ядра, поскольку система создана (и выполняет обнаружение) в соответствии со спецификациями протокола USB. Обнаружение в аппаратном пространстве осуществляется хост контроллером USB - как правило, соответствующем шинным устройством, аналогичным устройству PCI в системах x86. Соответствующий драйвер хост-контроллера обнаруживает устройство и транслирует информацию низкоуровнего физического слоя в конкретную информацию более высокого уровня протокола USB. Затем информация протокола USB, касающаяся устройства и, имеющая специальный формат, заносится в общий слой ядра USB (драйвер usbcore) в пространстве ядра, что позволяет обнаруживать устройства USB в пространстве ядра даже в том случае, когда отсутствует драйвер конкретного устройства.

Дальше — дело различных драйверов, интерфейсов и приложений (которые различны в различных дистрибутивах Linux) отображать обнаруженные устройства в пользовательском пространстве. На рис.1 показана иерархия подсистемы USB в Linux.

Рис.1: Подсистема USB в Linux

Краткий список всех обнаруженных устройств USB можно получить с помощью команды lsusb, которую следует запустить в роли пользователя root. На рис.2 приведен такой список как для случая с флэш устройством, так и без него. Параметр -v в команде lsusb позволяет получить более подробную информацию.

Рис.2: Информация, выдаваемая командой lsusb

Во многих дистрибутивах Linux, таких как Mandriva, Fedora, ... , драйвер usbfs сконфигурирован так, что он загружается по умолчанию. В результате можно с помощью команды cat /proc/bus/usb/devices из директория /proc извлечь конкретную информации об обнаруженном USB-устройстве, представленную в удобном виде. На рис.3 показан типичный пример такой информации, которая находится в специальной секции, описывающей флэш-устройство. В списке обычно присутствует по одному такому разделу для каждого допустимого устройства USB, обнаруженного в системе.

Рис.3: Фрагмент информации из proc, касающейся USB

Разбираемся в секции, описывающей устройство USB

Чтобы дальше разбираться с этими секциями, нужно в первую очередь понять, что такое допустимое устройство USB. Для всех допустимых устройств USB есть одна или несколько конфигураций. Конфигурация устройства USB похожа на профиль, причем в качестве конфигурации, используемой по умолчанию, обычно используется первая конфигурация. Таким образом, в Linux для каждого устройства по умолчанию поддерживается только одна конфигурация. Для каждой конфигурации в устройстве может быть один или несколько интерфейсов. Интерфейс соответствует функции, предоставляемой устройством.

Интерфейсов может быть столько, сколько есть функций, предоставляемых устройством. Так, скажем, устройство МФУ USB-принтер (многофункциональное устройство) может выполнять печать, сканирование и отправку факсов, и, скорее всего, для него будет, по крайней мере, три интерфейса, по одному для каждой из функций. Таким образом, в отличие от других драйверов устройств, драйвер USB устройства, как правило, связывается / пишется отдельно для каждого интерфейса, а не для устройства в целом - это значит, что для устройства USB может быть несколько драйверов устройств, причем для интерфейсов различных устройств может использоваться один и тот же драйвер, - хотя, конечно, для одного интерфейса не может быть более одного драйвера.

Вполне нормальной и достаточно обычной является ситуация, когда для всех интерфейсов устройства USB используется один и тот же драйвер USB. В записи Driver=... для директория proc (рис. 3) показано, что в драйвер отсутствует отображение интерфейса (none).

Для каждого интерфейса есть один или несколько источников / приемников данных. Источник / приемник данных (endpoint) похож на конвейер (pipe), используемый для передачи информации в зависимости от функции либо в интерфейс, либо из интерфейса устройства. В зависимости от типа информации, источники / приемники данных могут быть четырех типов: Control, Interrupt, Bulk и Isochronous.

Прим.пер.: Подробное описание указанных четырех типов источников / приемников данных будет приведено в следующей статье данной серии статей.

Согласно спецификациям протокола USB во всех допустимых устройствах USB должен быть неявно используемый источник / приемник данных с номером 0 (end-point zero) — единственный двунаправленный источник / приемник данных. На рис.4 приведена полная наглядная схема допустимого устройства USB, соответствующее приведенному выше объяснению.

Рис.4: Общий взгляд на устройство USB

Вернемся обратно к секциям устройств USB (рис. 3) - первая буква в каждой строке соответствует различным частям спецификации устройства USB. Например, D - устройству, C - конфигурации, I - интерфейсу, E — источнику / приемнику данных (endpoint) и т.д. Подробнее об этом и о многом другом смотрите в исходном коде ядра в файле Documentation/usb/proc_usb_info.txt.

Регистрация драйвера USB для флеш устройства

"Похоже, для того, чтобы можно было самостоятельно написать первый драйвер USB, потребуется узнать много всего о протоколе USB, — конфигурацию устройства, интерфейсы, конвейеры передачи данных, четыре типа передачи данных, а также многие другие обозначения, например, T, B, S, …, которые есть в спецификации устройств USB" — вздохнула Светлана.

"Да, но ты не беспокойся — со всем этим можно будет разобраться подробнее позже. Давай со всем этим разбираться последовательно — возьмем интерфейс флеш устройства, связанного с драйвером нашего USB-устройства (pen_register.ko)" — утешил Пагс.

Как и в любом другом Linux-драйвере, здесь также требуется конструктор и деструктор — используется тот же самый шаблон драйвера, который использовался для всех драйверов. Но содержимое будет другим, поскольку это драйвер слоя аппаратного протокола, т.е. горизонтальный драйвер в отличие от символьного драйвера, который был одним из вертикальных драйверов, рассмотренных ранее. Разница лишь в том, что вместо регистрации и отмены регистрации в VFS, здесь это должно выполняться на уровне соответствующего протокола — в данном случае — в ядре USB; вместо того, чтобы предоставлять интерфейс пользовательского пространства, например, файл устройства, он должен подключиться к реальному устройству в пространстве аппаратных средств.

Интерфейсы API для ядра USB выглядят следующим образом (прототип в <linux/usb.h>):

int usb_register(struct usb_driver *driver);
void usb_deregister(struct usb_driver *);

В структуре usb_driver в соответствующих полях должны быть указаны имя устройства, идентификационная таблица, используемая для автообнаружения конкретного устройства, и две функции обратного вызова, которые вызываются ядром USB при горячем подключении и отключении устройства, соответственно.

Собираем все вместе в файл pen_register.c, который будет выглядеть следующим образом:

#include <linux/module.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/usb.h>
 
static int pen_probe(struct usb_interface *interface, const struct usb_device_id *id)
{
    printk(KERN_INFO "Pen drive (%04X:%04X) plugged\n", id->idVendor, id->idProduct);
    return 0;
}
 
static void pen_disconnect(struct usb_interface *interface)
{
    printk(KERN_INFO "Pen drive removed\n");
}
 
static struct usb_device_id pen_table[] =
{
    { USB_DEVICE(0x058F, 0x6387) },
    {} /* Terminating entry */
};
MODULE_DEVICE_TABLE (usb, pen_table);
 
static struct usb_driver pen_driver =
{
    .name = "pen_driver",
    .id_table = pen_table,
    .probe = pen_probe,
    .disconnect = pen_disconnect,
};
 
static int __init pen_init(void)
{
    return usb_register(&pen_driver);
}
 
static void __exit pen_exit(void)
{
    usb_deregister(&pen_driver);
}
 
module_init(pen_init);
module_exit(pen_exit);
 
MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("Anil Kumar Pugalia <email_at_sarika-pugs_dot_com>");
MODULE_DESCRIPTION("USB Pen Registration Driver");

Затем можно повторить обычные шаги, выполняемые для любого Linux драйвера:

Но, что удивительно, результат не будет таким, как ожидалось. Используйте команду dmesg и загляните в директорий proc для просмотра различных журналов и прочих подробностей. Это связано не с тем, что драйвер USB отличается от символьного драйвера, - здесь есть одна проблема. На рис.3 показано, что у флэш-устройства есть один интерфейс (с номером 0), который уже связан с обычным драйвером usb-storage.

Теперь, для того, чтобы связать наш драйвер с этим интерфейсом, нам нужно выгрузить драйвер usb-storage (т. е. выполнить команду rmmod usb-storage) и переподключить флэш-накопитель. Как только это будет сделано, результаты станут такими, как ожидалось. На рис.5 показан фрагмент информации из журналов и из директория proc. Снова подключите и отключите (в горячем режиме) флеш устройство и пронаблюдайте, как действуют вызовы probe и disconnect.

Рис.5: Флеш устройство в действии

Подведем итог

"Наконец-то! Что-то действует!" - облегченно сказала Светлана. "Но мне кажется, что для того, чтобы собрать полный драйвер устройства USB, здесь есть еще много того, с чем следует разбираться (например, с идентификационной таблицей, обратными вызовами probe и disconnect и т. д.)".

"Да, ты права. Давай разбираться со всем по порядку и с перерывами " - ответил Пагс, прервав самого себя.

---

К предыдущей статье

Оглавление

К следующей статье

---

---