Linux下的硬件驱动—USB设备（上）

赵明([e-mail])
联想软件设计中心嵌入式研发处系统设计工程师

USB设备越来越多，而Linux在硬件配置上仍然没有做到完全即插即用，对于Linux怎样配置和使用他们，也越来越成为困扰我们的一大问题。本文分两部分着力从Linux系统下设备驱动的架构，去阐述怎样去使用和配置以及怎样编制USB设备驱动。对于一般用户，可以使我们明晰Linux设备驱动开发专业论坛linuxdriver.cn方式，为更好地配置和使用USB设备提供了方便；而对于希望开发Linux系统下USB设备驱动的程序员，提供了初步学习USB驱动架构的机会。
前言
USB是英文"Universal Serial Bus"的缩写，意为"通用串行总线"。是由Compaq(康柏)、DEC、IBM、Intel、NEC、微软以及Northern Telecom（北方电讯）等公司于1994年11月共同提出的，主要目的就是为了解决接口标准太多的弊端。USB使用一个4针插头作为标准插头，并通过这个标准接头，采用菊花瓣形式把所有外设连接起来，它采用串行方式传输数据，目前最大数据传输率为12Mbps, 支持多数据流和多个设备并行操作，允许外设热插拔。
目前USB接口虽然只发展了2代（USB1.0/1.1，USB2.0），但是USB综合了一个多平台标准的所有优点 -- 包括降低成本，增加兼容性，可连接大量的外部设备，融合先进的功能和品质。使其逐步成为PC接口标准，进入了高速发展期。
那么对于使用Linux系统，正确支持和配置常见的USB设备，就是其使用必不可少的关键一步。
相关技术基础
模块（驱动程序）
模块（module）是在内核空间运行的程序，实际上是一种目标对象文件，没有链接，不能独立运行，但是可以装载到系统中作为内核的一部分运行，从而可以动态扩充内核的功能。模块最主要的用处就是用来实现设备驱动程序。 
Linux下对于一个硬件的驱动，可以有两种方式：直接加载到内核代码中，启动内核时就会驱动此硬件设备。另一种就是以模块方式，编译生成一个.o文件。当应用程序需要时再加载进内核空间运行。所以我们所说的一个硬件的驱动程序，通常指的就是一个驱动模块。
设备文件
对于一个设备，它可以在/dev下面存在一个对应的逻辑设备节点，这个节点以文件的形式存在，但它不是普通意义上的文件，它是设备文件，更确切的说，它是设备节点。这个节点是通过mknod命令建立的，其中指定了主设备号和次设备号。主设备号表明了某一类设备，一般对应着确定的驱动程序；次设备号一般是区分不同属性，例如不同的使用方法，不同的位置，不同的操作。这个设备号是从/proc/devices文件中获得的，所以一般是先有驱动程序在内核中，才有设备节点在目录中。这个设备号（特指主设备号）的主要作用，就是声明设备所使用的驱动程序。驱动程序和设备号是一一对应的，当你打开一个设备文件时，操作系统就已经知道这个设备所对应的驱动程序。
SCSI 设备
SCSI是有别于IDE的一个计算机标准接口。现在大部分平板式扫描仪、CD-R刻录机、MO光磁盘机等渐渐趋向使用SCSI接口，加之SCSI又能提供一个高速传送通道，所以，接触到SCSI设备的用户会越来越多。Linux支持很多种的SCSI设备，例如：SCSI硬盘、SCSI光驱、SCSI磁带机。更重要的是，Linux提供了IDE设备对SCSI的模拟（ide-scsi.o模块），我们通常会就把IDE光驱模拟为SCSI光驱进行访问。因为在Linux中很多软件都只能操作SCSI光驱。例如大多数刻录软件、一些媒体播放软件。通常我们的USB存储设备，也模拟为SCSI硬盘而进行访问。
Linux硬件驱动架构
对于一个硬件，Linux是这样来进行驱动的：首先，我们必须提供一个.o的驱动模块文件（这里我们只说明模块方式，其实内核方式是类似的）。我们要使用这个驱动程序，首先要加载运行它（insmod *.o）。这样驱动就会根据自己的类型（字符设备类型或块设备类型，例如鼠标就是字符设备而硬盘就是块设备）向系统注册，注册成功系统会反馈一个主设备号，这个主设备号就是系统对它的唯一标识（例如硬盘块设备在/proc/devices中显示的主设备号为3 ，我们用ls -l /dev/had看到的主设备就肯定是3）。驱动就是根据此主设备号来创建一个一般放置在/dev目录下的设备文件（mknod命令用来创建它，它必须用主设备号这个参数）。在我们要访问此硬件时，就可以对设备文件通过open、read、write等命令进行。而驱动就会接收到相应的read、write操作而根据自己的模块中的相应函数进行了。
其中还有几个比较有关系的东西：一个是/lib/modules/2.4.XX目录，它下面就是针对当前内核版本的模块。只要你的模块依赖关系正确（可以通过depmod设置），你就可以通过modprobe 命令加载而不需要知道具体模块文件位置。 另一个是/etc/modules.conf文件，它定义了一些常用设备的别名。系统就可以在需要此设备支持时，正确寻找驱动模块。例如alias eth0 e100，就代表第一块网卡的驱动模块为e100.o。他们的关系图如下：（见图一）

配置USB设备
内核中配置.
要启用 Linux USB 支持，首先进入"USB support"节并启用"Support for USB"选项（对应模块为usbcore.o）。尽管这个步骤相当直观明了，但接下来的 Linux USB 设置步骤则会让人感到糊涂。特别地，现在需要选择用于系统的正确 USB 主控制器驱动程序。选项是"EHCI" （对应模块为ehci-hcd.o）、"UHCI" （对应模块为usb-uhci.o）、"UHCI (alternate driver)"和"OHCI" （对应模块为usb-ohci.o）。这是许多人对 Linux 的 USB 开始感到困惑的地方。 
要理解"EHCI"及其同类是什么，首先要知道每块支持插入 USB 设备的主板或 PCI 卡都需要有 USB 主控制器芯片组。这个特别的芯片组与插入系统的 USB 设备进行相互操作，并负责处理允许 USB 设备与系统其它部分通信所必需的所有低层次细节。 
Linux USB 驱动程序有三种不同的 USB 主控制器选项是因为在主板和 PCI 卡上有三种不同类型的 USB 芯片。"EHCI"驱动程序设计成为实现新的高速 USB 2.0 协议的芯片提供支持。"OHCI"驱动程序用来为非 PC 系统上的（以及带有 SiS 和 ALi 芯片组的 PC 主板上的）USB 芯片提供支持。"UHCI"驱动程序用来为大多数其它 PC 主板（包括 Intel 和 Via）上的 USB 实现提供支持。只需选择与希望启用的 USB 支持的类型对应的"?HCI"驱动程序即可。如有疑惑，为保险起见，可以启用"EHCI"、"UHCI" （两者中任选一种，它们之间没有明显的区别）和"OHCI"。（赵明注：根据文档，EHCI已经包含了UHCI和OHCI，但目前就我个人的测试，单独加EHCI是不行的，通常我的做法是根据主板类型加载UHCI或OHCI后，再加载EHCI这样才可以支持USB2.0设备）。