如何设计基于AT91RM9200的USB主机端Linux驱动？

通用串行总线(usb)是一种新兴的计算机外围串行通信接口标准，它克服传统计算机串/并口的缺陷，具有热插拔、即插即用、数据传输可靠、扩展方便、低成本等优点，已成为当前计算机必备的接口之一，同时也被广泛地应用与嵌入式系统设计中。本文着重介绍嵌入式linux中的usb主机端驱动。其硬件平台是at91rm9200处理器系统，软件平台是linux-2.6.19.2内核。

1 at91rm9200 usb主机端接口硬件构成

at91rm9200处理器是atmel公司一款比较流行的微型处理器，它具有arm920t内核(带有mmu)，主时钟频率可达240 mhz，很适合嵌入式系统应用，它同时具有usb主机端和设备端，其中主机端处理开hci协议(ohci)及usb v2.0全速与低速协议，还给asb提供简单的读/写协议，usb主机端口还集成1个根集线器，硬件结构如图1所示。

2 linux usb主机端驱动

linux在1999年就在其核心内嵌入了usb驱动程序。理解linux的usb主机端驱动结构和原理，对在linux系统上开发usb设备端驱动程序，以及进一步理解usb协议有着很重要的意义。下面基于内核版本2.6.19.2分析linux usb的主机端驱动。

linux usb主机端驱动主要分为：主机控制器驱动、usb核心驱动和usb设备端驱动3个部分，它们之间的层次关系如图2所示。

在linux内核中关于usb的代码主要由2个部分构成：板级支持代码和usb驱动代码。其中板极支持代码主要分布在与处理器有关的目录里，如：/arch/arm/mach-at91rm9200目录。usb驱动代码主要集中在/drivers/usb目录里，主要包括usb核心驱动，主机控制器驱动，从机端驱动，各类设备端驱动程序。其中在atmel的板极支持代码/arch/arm/mach-at91rm9200/devices.c中包括usb主机端和从机端资源的数据结构at91_usbh_re-sources，at91_udc_resources，平台设备数据结构 at91rm9200_usbh_device，at91rm9200_udc_device，以及设备注册函数 at91_add_device_usbh()，at91_add_device_udc()，这2个函数在板极初始化函数中被调用，向内核添加usb主机设备和从机设备。usb驱动的核心代码是在/drivers/usb/core目录里，主要的作用是管理设备端驱动程序、控制协议命令集、管理数据传输、配置和管理usb设备、管理主机控制器。usb核心启动代码在目录/drivers/usb/core/usb.c中，具体的步骤如图3所示。

usb核心启动以后的结果是：注册1条总线“usb”，1个文件系统“usbfs”，创建2个设备类“usb_host”， “usb_device”，创建了许多的字符设备节点，分别是主设备号为180，从设备号是0～255，主设备号为189，从设备号为0～64×128，注册3个驱动程序：“usbfs”,“hub”，“usb”。创建一个内核线程“khubd”，pid=40，一旦有usb设备接入，这个内核线程就能捕捉到，并调用相应的驱动探测函数。这些内容在系统启动以后根文件系统的/sys或/proc相关目录下可以找到。linux usb主机端驱动涉及的主要数据结构有：

usb_driver：usb接口驱动程序结构体;

usb_device_driver：usb设备驱动程序结构体;

usb_bus：usb总线结构体;

usb_device：usb设备结构体;

urb：usb请求结构体。

在每个usb设备驱动程序里都有1个设备表usb_device_id，用来保存此设备驱动程序所支持的usb设备，如u盘驱动程序的id表名为 usb_storage_ids，如果有些usb设备的驱动linux内核并不支持，就可以把这些usb设备的数据(包括设备供应商编号、产品编号、供应商名称、产品名称、usb协议、初始化函数、标记等，这些信息的获取不依赖于特定的设备驱动程序，设备接入后可以从根文件系统的目录/proc中查看到) 添加到相关设备驱动程序的usb_device_ids中去，如u盘的驱动程序设备表id_storage_ids在内核头文件/drivers/usb/storage/unusual_devs.h中。每当有usb设备接入系统，usb内核的执行步骤如图4所示：

在device-add()函数中内核将该usb设备添加到usb总线上，并调用usb总线的匹配函数usb_device_match()寻找这个设备的驱动程序，最终将该设备与匹配的驱动程序绑定。

3 u盘设备驱动示例

u盘是usb存储器的通称，在内核中被定义为usbmass storage，除了默认配置以外，要在linux中使用u盘还必须完成以下步骤：

(1)scsl支持

u盘属于海量存储设备，linux将它定义为scsi块设备，所以必须要配置这个选项。内核配置选项如下：

(2)windows文件系统支持

u盘可能大都是windows下的文件格式，所以这里有必要选上对windows下文件格式和语言的支持。内核配置选项如下：

(3)usb驱动支持

usb驱动主要包括对usb主机端的支持、usb文件系统、ohci协议、usb mass storage的支持。内核配置选项如下：

(4)在/dev目录下新建sda设备节点

为了能够顺利地访问usb设备，必须在/dev目录下建立相应的设备节点。由于u盘被定义为块设备，所以必须建立scsi块设备节点，命令如下：[!--empirenews.page--]

mknod-m 600 sda*b8*

这里的“*”根据不同的系统而不同。假如有很多的scsi设备则需要建立许多的sda*设备节点，至于u盘具体是哪一个设备节点，则需要根据fdisk命令来查询。

(5)安装u盘

将u盘插入后，首先我们可以通过fdisk-1命令看到u盘的信息(包括该u盘是第几个scsi块设备节点，容量是多少等等)，然后通过命令 mount-t vfat/dev/sda*/mnt/usb(前提是已经在/mnt目录下建立了usb目录，并且u盘的格式为windows下的vfat)安装u盘到指定的目录下。这里的“*”由fdisk命令显示的内容来定。

(6)运行结果

先将u盘插入主机端接口，再启动系统，就会打印出以下相关的信息：

根文件系统启动以后，可以通过cat命令显示该u盘的相关信息，如：/cat/proc/bus/usb/devices。

4 结语

随着usb接口越来越广泛的应用，usb-if在2000年推出了usb 2.0规范。usb 2.0规范在兼容usb 1.x规范的基础上支持480 mb/s的高速数据传输。同时随着linux内核的不断扩充，内核将支持越来越多的usb设备和usb主机控制器，这对于usb的普及和应用有很重要的意义。