linux下USB大容量存储设备驱动分析与实现
【摘要】本文介绍了linux USB子系统架构及USB协议，重点分析了linux下USB大容量存储设备驱动程序，并结合U盘特点对设备驱动程序做了可靠的裁剪，以交叉编译和控制台调试的方式，在TQ2440 ARM开发板上成功实现了设备驱动模块的加载与卸载，最终达到了U盘热插拔和读写的目的。
【关键词】USB；大容量存储设备；设备驱动
USB（universal rial bus）通用串行总线是一种高速、支持即插即用和热插拔的总线标准，由intel、microsoft等公司制定，适用于多种USB外围设备（U盘、USB键盘鼠标、USB摄像头等）与主机之间的高速数据传输，USB2.0协议规定的最大传输速率可达480Mb/s，突破了传统串行总线的带宽限制。
Linux作为一种性能稳定，可定制，兼容性强的开源操作系统，在嵌入式设备中得到了广泛应用，且开发者可以方便地获得linux社区提供的强大技术支持，从而能够大大降低开发成本。
本文以天嵌公司的TQ2440 ARM开发板为硬件平台，以linux2.6.30为操作系统内核，通过串
口工具cure CRT，使用金士顿U盘作为USB存储设备，的分析并实现了linux下USB大容量存储设备驱动。
1.USB子系统
类似于linux scsi子系统，USB子系统也采用树形拓扑结构，层级关系因系统功能的不同而不同，拓扑模型如图1所示。系统作为主机时拓扑层级为：USB设备驱动、USB核心、USB主控制器驱动；作为从设备时层级为：Gadget驱动、Gadget API、USB设备控制器驱动。本文以linux为主机系统，U盘为从设备，因此只讨论主机侧拓扑结构。
USB设备驱动负责：向USB核心注册设备驱动、管理USB设备的探测与断开、实现与USB核心通信；USB核心提供一系列数据结构，宏定义和函数来抽象底层硬件设备，为设备驱动和主控器驱动提供特定的接口，读取并解析USB设备和配置描述符，为USB设备分配地址，转发设备驱动数据包，配置设备，维护设备链表和设备驱动链表，维护设备信息；USB主控制器驱动负责：与核心层通信、管理主控制器与设备的实际通信。
通常厂商提供主控制器驱动，而linux实现了USB核心（usb core）部分，因此本文将研究USB设备驱动。
2.USB协议
2.1 设备，配置，接口，端点
USB协议用设备（device）、配置（confi-guration）、接口（interface）、端点（endpoint）来描述设备的全部信息。每个设备有一个或多个配置（configuration），同一时刻只能有一个配置处于活跃状态；每个配置有一个或多个接口（interface）；每个接口都有特定的设备驱动，例如USB音响有音量调节旋钮和扬声器，则对应于旋钮驱动和扬声器驱动；每个接口有零个或多个端点（栗子endpoint），端点是通信的末端，数据传输以管道（pipe）的形式在端点上实现，管道具有单向传输性，因此通常要为设备分配多个管道，读设备时使用上行管道，写设备时使用下行管道。
2.2 传输方式
数据传输有四种方式：
控制（control）传输用于非周期性的可靠传输，如USB鼠标键盘等；中断（interrupt）传输用于速率稳定的数据传输；批量（bulk）传输用于大量数据传输，对数据传输时间要求
不高，如U盘、硬盘、软盘等；等时（isochronous）传输用于实时数据传输，且对数据传输误码率要求不高，如摄像头、扬声器等。
根据传输方式的不同，端点分为控制端点、中断端点、批量端点、等时端点四种，端点0缺省为控制端点，其它端点需分配设置。管道分为控制管道、中断管道、批量管道、等时管道。
2.3 传输协议
根据存储介质的不同，USB大容量存储（Mass storage）设备通常分为两类：scsi设备和floppy设备。传输协议关系如图2所示，主机与scsi设备之间采用Bulk Only方式传输数据，设备内部采用scsi命令传输；主机与floppy设备之间采用CBI（control/bulk/interrupt）方式传输数据，设备内部采用UFI（universal floppy interface）协议传输。
3.接口
USB设备每个接口都有特定的设备驱动，设备驱动用接口描述符（interface descriptor）来描述设备接口属性及通信特征，代码清单如下：
struct usb_interface_descriptor {
接口描述符包含三个重要域bInterfa-ceClass、bInterfaceSubClass、bInter-faceProtocol，分别对应于接口类型（cla-ss），接口子类型（subclass），接口协议（protocol）。
U盘属于Mass Storage类设备，所以bInterfaceClass=Mass Storage即接口类型为Mass Storage；U盘在linux下表现为一种scsi块设备，对它的操作必须遵守scsi协议规范，因此bInterfaceSubClass=SCSI Transparent即子类型为SCSI Transparent；最初的存储设备采用CBI（control/bulk/interrupt）传输方式，control端点传输控制块，bulk端点传输数据，interrupt端点传输状态信息，因此造成了端点资源的极大浪费，随着USB技术的发展，Bulk-Only传输方式得到了普及，相比于CBI，这种传输方式统一使用bulk端点来传输控制块、数据及状态信息，节省了端点资源，提高了总线利用率，对于U盘，bInterfaceProtocol=Bulk Only Transport即接口传输协议为Bulk Only Transport。4.urb
urb（usb request block）是设备驱动用来描述与设备通信的数据结构载体，是主机与USB设备通信的“电波”。
urb处理流程如图3所示，当scsi host获得一个scsi命令后将其添加到命令链表中，设备驱动循环检测scsi命令链表并取出命令，将其赋给USB设备的srb（scsi request block），至此USB设备驱动已获取了一个scsi命令块，而在USB子系统中，命令的传输载体为urb，因此需构建包含scsi命令的urb并将其传递给USB核心层，步骤如下：
1）动态分配并初始化urb
usb_alloc_urb（）→usb_init_urb（）
2人教版八年级上册数学>青山原不老）运行控制线程
For（；；）{
kthread_run（usb_stor_control_thread，us，”usb-storage”）
……}
实际上usb_stor_control_thread是一个死循环线程，它负责完成：检测urb是否存在→检测urb请求是否超时→检测urb传输方向→检测目标（scsi target）和逻辑单元号（scsi lun）
→proto_handler（）→检测urb传递状态。proto_handler是一个指向urb传输类型函数的指针，实现方式如下：
当设备接口子类（subclass）为US_SC_SCSI即设备表现为scsi块设备时，proto_handler指向的是usb_stor_transparent_scsi_command（），在这个函数中又使用了函数指针transport，transport指向的具体函数在获取传输方式时就已经指定，实现方式如下：
当传输方式为US_PR_BULK即Bulk_Only传输时，transport指向usb_stor_Bulk_transport（），这个函数负责填充urb并将其传递给USB核心。USB核心获得urb控制权后，将其传递给指定的主控制器驱动，至此实现了urb从设备驱动到主控制器驱动的传输。当urb传输完成后，主控制器驱动将通知设备驱动urb的传输状态。
5.设备驱动程序分析
设备驱动模块的入口和出口分别为module_init（）和module_exit（），它们分别调用模块初始化函数usb_stor_init（usb_stor_init）和卸载函数usb_stor_exit眼睛流泪是什么原因引起的（usb_stor_exit）实现向USB核心注册驱动和卸载驱动。注册驱动时调用usb_register（&usb_storage_driver），
卸载时调用usb_deregister（&usb_storage_driver）。usb_storage_driver是设备驱动的“心脏”，它为设备驱动与USB核心提供了通信接口，其中定义了各种驱动操作函数，代码清单如下：
name为模块名。
probe对应驱动函数storage_probe（），storage_probe房事秘诀（ ）完成：流管员
获取接口数据→保存接口数据→分配设备DMA映射缓存→获取不常见设备，可裁剪掉→获取传输类型→获取传输协议→设置管道→设置控制发送管道→设置控制接收管道→设置bulk发送管道→设置bulk安全学习记录接收管道→设置中断接收管道→分配，初始化并传递urb给核心层→向scsi总线层添加scsi host→创建scsi总线扫描线程→开始scsi线程扫描。U盘插入后，USB核心调用设备驱动程序的probe函数在总线维护的设备链表中寻找适合该驱动的设备，如果找到则将驱动绑定到总线。
disconnect对应的驱动函数为usb_storage_disconnect（），它负责完成：停止scsi扫描→移除scsi host→停止接收新的scsi命令→释放所有的总线和设备资源。U盘拔出后，鲜肉汤圆USB核心调用usb_storage_disconnect（）解除驱动与总线的绑定。
suspend和resume实现系统待机状态下设备挂起操作，它们对应的驱动函数usb_stor_suspend（）和usb_stor_resume（）依赖于内核电源管理配置项（Power Management support）。为了达到低耗的效果，Linux对设备电源有严格的管理，当系统待机时设备应处于低功率状态下，因此要对耗电设备执行挂起操作。
pre_ret和post_ret负责端口重启后获取接口数据。id_table是驱动支持的设备列表，USB设备品种繁多，而一个驱动模块只能支持特定的一个或多个设备（最多16个设备），因此需要在驱动中建立USB设备表，代码实现如下：
struct usb_device_id usb_storage_usb_ids[]={
{USB_DEVICE（USB_MASS_VENDOR_ID，USB_MASS_PRODUCT_ID）}，
