２Ｏ１０年（第３９卷）第２期 信息技术 基于嵌入式Ｌｉ ｎｕｘ下的ＵＳＢ３．０驱动程序开发方法研究 杨 军Ｉ’ （１．青岛科技大学信息科学学院，山东青岛２６６６０１；２．天水师范学院物信学院，甘肃天水７４１０００） 摘 要：ＵＳＢ３．０是新一代通用串行总线，该总线下的设备目前还没有大规模生产，主要原因是它的通信标准及协议刚由 ＵＳＢ ３．０开发小组（超过２００家公司）制定出来。ＵＳＢ３．０必将很快取代ＵＳＢ２．０成为今后市场的主流ＵＳＢ设备接口。本文针 对嵌入式Ｌｉｎｕｘ操作系统内核提供编写设备驱动程序的基本框架结构给出了基于嵌入式Ｌｉｎｕｘ下的ＵＳＢ３．０驱动程序开发 方法。 关键词：嵌入式Ｌｉｎｕｘ；ＵＳＢ３．Ｏ；驱动程序 所谓嵌入式系统是指以应用为中心，以计算机技 术为基础，软硬件都可裁剪，适用于应用系统对功能、 可靠性、成本、体积和功耗有严格要求的专用计算机系 统［１］。嵌入式系统由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌 １．２ Ｌｉｎｕｘ驱动 驱动程序是Ｌｉｎｕｘ内核的重要组成部分，可以看作 是应用程序和物理设备之间的一个软件层，由设备驱动 程序来完成操作系统与硬件设备之间的交互。对于嵌入 式开发而言由于没有通用的驱动程序，因而驱动程序开 发便成为嵌入式系统设计过程的一个重要环节。 驱动程序包括配置初始化子程序和Ｉ／Ｏ请求子程 序。配置初始化子程序在初始化时被调用一次，Ｉ／０请 求子程序的调用通过系统调用或硬件中断信号来触 发。自动配置和初始化子程序一般在设备接入系统时 入式操作系统以及用户应用程序４部分组成。搭建一 个嵌入式系统是开发一个嵌入式产品的基础。由于嵌 入式系统的灵活性和应用的广泛性使它的硬件形式也 是多种多样层出不穷，这就给工程师们提出更高的要 求。ＵＳＢ３．０通信标准和协议的推出必将带动基于 ＵＳＢ３．０接口设备的大量生产。对于每一种ＵＳＢ３．０产品 在嵌入式应用中都必须开发其相应的设备驱动程序才 可使该产品正常工作。因此，嵌入式系统工程师们对于 或者加载设备驱动时调用，其主要负责检测所需驱动 的硬件设备是否存在或是否能正常工作。如果该设备 正常，则对这个设备及其相关的驱动程序需要的软件 状态进行初始化。驱动程序所提供的与设备的打开、释 放、读写和控制操作相对应的人口点函数都属于服务 新标准下的ＵＳＢ３．０产品驱动程序的设计与开发应该 做好充分准备。 １嵌入式Ｌｉｎｕｘ驱动开发 １．１嵌入式Ｌｉｎｕｘ 于Ｉ／０请求的子程序，并且通过ｆｉｌｅ＿ｏｐｅｒａｔｉｏｎｓ结构向 系统进行说明。中断服务子程序在嵌入式Ｌｉｎｕｘ系统中 并不是直接从中断向量表中调用设备驱动程序的中断 服务子程序，而是由Ｌｉｎｕｘ系统接收硬件中断，再由系 统调用中断服务子程序。 嵌人式Ｌｉｎｕｘ系统有两层含义，狭义的嵌入式 Ｌｉｎｕｘ系统指的是嵌入式Ｌｉｎｕｘ操作系统，是指对Ｌｉｎｕｘ 经过裁剪后，固化在容量只有几Ｋ到几Ｍ字节的存储 器芯片或ＭＣＵ中，应用于特定嵌入式场合的专用Ｌｉｎ— 与应用程序不同，设备驱动程序属于内核的一部 分，所以驱动程序的开发就是Ｌｉｎｕｘ内核的开发。完成 一ＵＸ操作系统。广义的嵌入式Ｌｉｎｕｘ系统指的是基于嵌 入式Ｌｉｎｕｘ操作系统构建的嵌入式系统。 嵌入式Ｌｉｎｕｘ系统包括嵌入式Ｌｉｎｕｘ内核、文件系 统和用户应用程序三部分。嵌入式Ｌｉｎｕｘ内核包含 个设备驱动程序后，用户可以动态地将该设备驱动 口函数为ｉｎｉｔ＿ｍｏｄｕｌｅ（）和ｃｌｅａｎｕｐ ｍｏｄｕｌｅ（）。除此之外 程序加载到内核中或从内核中卸载。加载和卸载的入 Ｌｉｎｕｘ的系统调用接口、设备驱动以及Ｌｉｎｕｘ内核机制； 嵌入式文件系统是嵌入式操作系统的一部分，它的任 务是对逻辑文件进行管理，其工作包括提供对逻辑文 件的操作接口，方便用户操作文件和目录；用户程序通 常指运行于用户空间能接受内核管理和调度的各种可 执行程序。 对于设备的每一种操作设备驱动程序中都包含其相应 的人口函数。字符型和块设备驱动程序中包括打开设 备函数ｏｐｅｎ（）、关闭设备函数ｃｌｏｓｅ（）、读数据函数ｒｅａｄ （）、写数据函数ｗｒｉｔｅ（）和Ｉ／０控制函数ｉｏｃｔｌ（）等。 ２ ＵＳＢ３．０驱动程序设计 ３３ 信息技术 ２０１０年（第３９卷）第２期 ２．１ ＵＳＢ３．０系统架构 作是超高速ｕｓＢ（ｓｕｐｅｒＳｐｅｅｄ ＵＳＢ），在一些特性上是独 一目前国内对ＵＳＢ系统的研究主要在实际应用方 无二的。它使用５个端口连线、两个用于发送，两个 的物理层速率，目前的ＵＳＢ产品采用两线，半双工的架 面，一些以往的计算机通用外设和主流的数码电子产 品中己经广泛采用ＵＳＢ技术。并成为当今嵌入式开发 和应用中的一个热点。相比于ＵＳＢ ２．０总线ＵＳＢ ３．０是 一用于接收，一个是地线、来实现全双工从而达到５ Ｇｂ／ｓ 构。外观上Ｔｙｐｅ—Ａ的接头没有改变，但内部有５个 个超高速总线并且具有和２．０总线相似的系统架构。 连线来支持全双工，新的连接器兼容旧的插口。另外， ３．０版本在链路上采用了中断驱动，而不是目前的轮检 ＵＳＢ ３．０系统架构分为三个层次结构。即：ＵＳＢ ３．０ ｈｏｓｔ 层；ＵＳＢ ３．０ ｈｕｂ层；ＵＳＢ ３．０的并行设备层。ＵＳＢ３．０架 构向下兼容２．０总线体系结构，因此ＵＳＢ３．０是一个双 总线系统架构（见图１）。 ＵＳＢ ３．０ ｈｏｓｔ是ＵＳＢ ３．０和ＵＳＢ ２．０设备连接和通信 的主控制器。ＵＳＢ ３．０继承了ＵＳＢ ２．０的核心结构，虽然 做了一些外部扩展以适应双总线架构但基本的星形拓扑 结构是和ＵＳＢ２．０一样的。对于ＵＳＢ ３．０总线任务是通过 一个复合电缆及相关连接器构成的。ＵＳＢ ３．０主控制器完 成包括超高速总线和非超高速总线接口的控制。 图１ ＵＳＢ ３．０双总线架构 ＵＳＢ３．０集线器是用于连接更多ＵＳＢ设备到主控 制器而提供更多接口的一个逻辑设备。ＵＳＢ ３．０连接模 式允许探测和配置ＵＳＢ设备的最高传输速度。在主机 和设备间的最高信号传输速度和当前主控制器的功能 及配置的探测以及ＵＳＢ设备的配置隋况是通过所连接 的集线器来实现探测和配置任务的。ＵＳＢ ３．０主机同时 包括超和非超高速总线接口，采用并行总线方式因此 可使两种接口通过ｈｕｂ同时在主控制器的控制下有效 工作。 ＵＳＢ ３．０在应用层上至少能达到３００Ｍｂｙｔｅ／ｓ的数 据吞吐量。新规范与前代版本兼容，然而新接口需要新 的线缆和连接器，而且传输距离被限制在３米，而目前 的ＵＳＢ产品可以支持５米长的线缆。３．０标准，也被称 ３４ 方法，这样进一步降低功耗。 ２．２ ＵＳＢ３．０串口驱动设计实例 ＵＳＢ驱动分为ＵＳＢ主机驱动和ＵＳＢ设备驱动，如 果系统的ＵＳＢ主机控制器符合ＯＨＣＩ等标准，则主机 驱动的绝大部分工作都可以沿用通用的代码。 对于一个ＵＳＢ设备而言，它至少具备两重身份：首 先它是“ＵＳＢ”的，其次它是“自己”的。ＵＳＢ设备是“ＵＳＢ” 的，指它挂接在ＵＳＢ总线上，其必须完成ｕｓｂ＿ｄｒｉｖｅｒ的 初始化和注册；ＵＳＢ设备是“自己”的，意味着本身可能是 一个字符设备、ｔｔｙ设备、网络设备等，因此，ＵＳＢ设备驱 动中也必须实现符合相应框架的代码。 在Ｌｉｎｕｘ内核中，串口属于ｔｔｙ设备，对于一个ＵＳＢ 串口设备而言，其驱动主要由两部分组成：ｕｓｂ＿ｄｒｉｖｅｒ的 成员函数和ｔｔｖ设备的ｔｔｙ＿ｏｐｅｒａｔｉｏｎｓ结构体成员函数。 在ＵＳＢ串口设备驱动的模块加载函数中，将注册 对应于ＵＳＢ串口的ｕｓｂ—ｄｒｉｖｅｒ，利用ｓｔａｔｉｃ ｉｎｔ ｉｎｉｔ ｕｓｂ—ｓｅｒｉａｌ＿ｉｎｉｔ（ｖｏｉｄ）函数初始化和注册ｔｔｙ驱动。利用 ＵＳＢ串口设备驱动的模块卸载函数ｓｔａｔｉｃ ｖｏｉｄ ｅｘｉｔ ｕｓｂ—ｓｅｒｉａｌ＿ｅｘｉｔ（ｖｏｉｄ）将注销对应于ＵＳＢ串口的 ｕｓｂ—ｄｒｉｖｅｒ，并注销ｎｙ驱动。 在ｕｓｂ—ｄｒｉｖｅｔ的探测成员函数ｎｓｂ＿ｓｅｒｉａｌ＿ｐｒｏｂｅ（） 中，将初始化ＵＳＢ端点等信息，并通过ｕｓｂ—ｓｅｔ—ｉｎｔｆｄａｔａ （）设置接口私有数据，它也将初始化ｕｒｂ（ＵＳＢ请求 块）。相反，在断开成员函数ｕｓｂ＿ｓｅｒｉａｌ＿ｄｉｓｃｏｎｎｅｃｔ（）中 将设置接口私有数据为ＮＵＬＬ，并释放引用计数。 在ｔｒｙ＿ｏｐｅｒａｔｉｏｎｓ的各ｗｒｉｔｅ（）、ｒｅａｄ（）等成员函数 中，将调用ｕｓｂ—ｓｅｉｒａｌ＿ｄｒｉｖｅｒ结构体中的相应函数， ｕｓｂ—ｓｅｒｉａｌ—ｄｒｉｖｅｒ结构体中封装了串口的各函数（读写、 读写中断端点完成函数、读写批量端点完成函数等）。 目录ｄｒｉｖｅｒｓ，ｕｓｂ／ｓｅｒｉａｌ／下ｇｅｎｅｒｉｃ．ｅ文件中提供了 ＵＳＢ串口驱动的通用打开／关闭、读／写函数等，如 Ｕｓｂ＿ｓｅｒｉａｌ＿ｇｅｎｅｒｉｃ＇＿ｗｒｉｔｅ（），ｕｓｂ＿ｓｅｒｉａｌ＿ｇｅｎｅｒｉｃ＿ｗｒｉｔｅ＿ｂｕｌｋ— ｃａｌｌｂａｃｋ（），ｕｓｂ＿ｓｅｒｉｌａ＿＿ｇｅｎｅｒｉｃ＿ｒｅａｄ＿ｂｕｌｋ＿ｃａｌｌｂａｃｋ（）等。 ３结束语 本论述归纳了Ｌｉｎｕｘ驱动程序设计的一般方法，并 根据工程实践给出了一个基于嵌入式（下转３９页） ２０１０年（第３９卷）第２期 信，电技术 用目前１８９“天翼”业务。中国联通１３０、１３１、１３２、１５６用 集中于中低端用户群。他们使用ＣＭＭＢ手机电视的目 的就是通过手机来观看电视节目，从而获得简单的文化 生活。这个群体对节目清晰度以及节目的片源都没有太 高的要求，需求主要停留在“有和无”的层次。而ＴＤ标 准的手机电视已经不仅能够满足电视信号覆盖，还能够 满足中高端用户群体对手机电视内容点播服务的需求。 用ＣＭＭＢ观看电视节目，价格便宜，不走流量。而如果 户无需换号可直接升级３Ｇ。 没有手机的用户想收看电视节目必需购买电视终 端，其价格在四佰元到几千元不等。 ４．２费用问题 中国移动将在统一定价的基础上，针对使用３Ｇ的 用户给予折扣。中国电信在１８９号段推出了商旅套餐 和畅聊套餐。中国联通３Ｇ的资费水平将不会超过２Ｇ 需要互动，或者收看在传统电视节目里没有的短视频电 视节目，则可以通过ＴＤ制式的流媒体方式来观看。 时代。中国多媒体广播电视推出包月ｌ２元收费标准。 （３）虽然目前ＴＤ与ＣＭＭＢ的合作从技术上来说， ４．３网络覆盖问题 并没有做到融合，严格意义上只是两种功能的相互组 中国移动表示２０１ １年ＴＤ网络将覆盖全国所有地 合。但是ＴＤ＋ＣＭＭＢ迈出良好的开端之后，电信运营商 市。电信今年７月将在全国开展３Ｇ服务。中国联通计 与广电运营商的下一步合作具有非常广阔的空间。在 划于上半年在中国５５个城市推出３Ｇ服务，并且计划 目前双方进行合作的手机电视业务方面，由于双方共 在今年年底前将该服务的覆盖范围扩大至２８２个城 用一个屏幕，那么可以将单向广播与双向交互结合起 市。广电部门已经在全国地级以上市区建设了地面增 来，也就是将广播电视业务与移动通信业务相结合，将 补网络［１】。 需要大量下行的数字电视节目传输由广电的ＣＭＭＢ网 络来承载，而在数据上行和用户信息收集方面，则由具 ５“手机电视＂的应用前景 有上行回路的ＴＤ网络来运行嘲。 采取移动多媒体广播方式，可以高效率、低成本地 （４）在收费渠道方面，中国移动、中国联通、中国电 向流动人群和交通工具提供２０多套电视、３０多套广播 信等经过多年的建设，不仅拥有遍布大街小巷的营业 以及各类信息服务，满足这些用户群的需求，市场潜力 网点，而且已经建成全国联网的ＢＯＳＳ（电信业务运营 巨大，发展前景良好。同时，作为广电行业推荐标准的 支持系统）系统，能够做到实时计费、融合计费。收费渠 ＣＭＭＢ完全具有成为国标的核心优势广电借助卫星通 道方面的优势，完全可以帮助广电解决ＣＭＭＢ收费方 信，能极好地解决手机电视信号流畅的问题。手机电视 面存在的难题。 将成为广电部门更好开展业务，传播优秀广播电视节 ４用户关心的问题 目的又一信息化平台。 ４．１如何收看电视节目 参考文献： 手机用户无论采用哪家公司的３Ｇ服务都需要更 ［１］张忠明．什么是３Ｇ［ＥＢ／ＯＬ］．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｓｏｇｕ．ｃｏｍ／ｗｅｂ？ｑｕｅｒｙ 换成带有ＣＭＭＢ芯片３Ｇ手机才能收看电视节目。在 ＝１５８６１４２７２＆＿ａｓｆ＝ｗｗｗ．ｓｇｏｕ．ｃ０ｍ＆ｗ＝０１０２９９０１＆ｎｕｍ＝ｌ０＆ Ｐ＝４Ｏ０４０ｌ０１＆ｄｐ＝１． 使用３Ｇ手机的前提下，移动和电信用户不需更换手机 ［２】马龙．ＴＤ与ＣＭＭＢ双方技术优势互补［ＥＢ／ＯＬ］．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ． 号就能升级使用３Ｇ。其中，移动推出“三不政策”，即所 １ｏｋｍｗ．ｃｎ／ｈｔｍｌ／ｊｇｄｉａｈａｎｇ／ｗｚ－５９．ｈｔｍ１ ．有中国移动用户不用换手机号、不用换ＳＩＭ卡、也不用 【３］王其武．中国移动广播多媒体ＣＭＭＢ应用［ＥＢ／ＯＬ］．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ． 到营业厅办理登记手续，只需将原手机ＳＩＭ卡插入３Ｇ ｊｐｗ８．ｃｏｍ／ｃｔｅｙｅ／２０００／３１２／１０３１２８９５８１ＦＩＣＥ８Ｊ０４Ｈ２０ＡＡ２７Ｅ５２． 手机即可。中国电信１３３／１５３在内的全部用户均可以使 ｈｔｍｌ ・—＋一”＋”＋”＋”＋“＋”＋”＋”＋”＋“＋”＋”＋”＋・・＋”＋・・＋・・＋・・＋ ”＋”—＋一”—・＋一”— 卜一＋”＋・・—＋一”—・＋一・・—＋一一— 一・・—●一・ （上接３４页）Ｌｉｎｕｘ平台下ＵＳＢ３．０驱动程序的设计方 参考文献： 法。实践表明：开发一个稳定、高效的设备驱动程序需 要工程师把握一个原则就是不要给用户强加任何策 ［１］杨恒．ＡＲＭ嵌入系统设计及实践［Ｍ］．西安：西安电子科技大 略，因为不同的用户有不同的需求，驱动程序应该处理 学出版社，２００５． 如何使硬件工作的问题，而将怎样使用硬件的问题留 ［２］李驹光，郑耿，江泽明．嵌入式Ｌｉｎｕｘ系统开发详解［Ｍ］．北 给上层应用。总而言之，驱动程序应当为上层应用提供 京：清华大学出版社，２００６． 一个使用设备的工具箱。 ［３］Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ Ｓｅｒｉａｌ Ｂｕｓ Ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎ．Ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｕｓｂ．ｏｒｇ，２０００．４． ３９