驱动程序原理介绍

USB大存储设备(Mass Storage)是以文件为单位进行存储的从设备(Gadget)。在主设备主机(任何操作系统)上它以U盘的形式出现，在有Linux操作系统的从设备主机上，它以Gadget驱动程序形式出现，实现从设备与主设备的通信。

Gadget Mass Storage是USB设备的一个典型的Gadget驱动程序使用例子，它说明了能适应不断增大的吞吐量的双缓存区技术，给出了一个在USB主设备主机上探测大存储设备驱动程序的典型方法。

大存储设备的存储通过常规文件或块设备来实现，它通过模块选项"file"选择大存储设备文件。通过模块选项 "ro"限制访问权限。如果可选的模块选项"removable"，指示它是否是一个可移去的介质。

GadgetMass Storage设备支持控制-批量(CB Control-Bulk)，控制-批量-中断(CBI Control-Bulk-Interrupt)和仅批量(Bulk-Only)传输，通过可选的"transport"模块选项来选择。它还支持下面的协议：RBC (0x01), ATAPI或 SFF-8020i (0x02), QIC-157 (0c03)，通过可选的"protocol"模块选项来选择。

大存储设备可以有多个逻辑单元(LUN)，每个LUN有自己的文件，LUN的数量由可选的模块选项"luns"(1到8)选择，相应的文件用逗号分开的"file"或"or"的列表定义。缺省的LUN个数从"file"元素的个数获取，如果"file"没有被提供，则为1。如果"removable"没有被设置，那么，每个LUN必须指定文件。如果"removable"被设置，一个没定义或空的文件名意味着LUN的介质没有装载。大存储设备的模块选项选项说明如表3所示。表3 大存储设备的模块选项选项说明模块选项说明

file=filename[,filename...]如果"removable"没被设置，用于存储的文件或块设备名是需要的。

ro=b[,b...]缺省是false, 仅读访问的逻辑值。

removable缺省是false, 可移去媒体的逻辑值。

luns=N缺省值 N = 文件名的个数是支持的LUN的个数。

transport=XXX缺省值是BBB(Bulk-Only), 传输名(CB, CBI, or BBB)。

protocol=YYY缺省值是SCSI, 协议名(RBC, 8020 或ATAPI, QIC, UFI, 8070, 或SCSI，也有可能1-6项都支持)。

vendor=0xVVVV缺省值是0x0525 (NetChip), USB供应商ID。

product=0xPPPP缺省值是0xa4a5 (FSG), USB产品ID。

release=0xRRRRUSB发布号(bcdDevice)。

buflen=N缺省值 N=16384, 使用的buffer大小(是页大小的整数倍)。

stall按照USB设备控制器的类型来决定缺省值(通常是true)，是否允许驱动程序停止bulk端点的逻辑值。

对于Gadget设备来说，最少的要求是：仅一个bulk-in 和一个bulk-out端点是必须的(一个interrupt-out对于CBI来说也是必须的)。内存的最小要求是两个16k的buffer，可通过参数可配置buffer的大小。

如果编译时未设置CONFIG_USB_FILE_STORAGE_TEST选项，则仅"file", "ro","removable"，和"luns"选项可用，

文件的路径名和ro设置在sysfs文件系统中的gadget/lun子目录下的"ro"和"file"文件属性里。如果"removable"选项被设置，对这些文件的写将模拟弹出/装上媒体(写一个空行意味着弹出)操作。当媒体被装载时，"ro"的设置不允许改变。

本Gadget驱动程序基于Gadget Zero，SCSI(Small Computer System Interface)命令接口基于SCSI II接口规范，个别例外(如：操作码0x23，即READ FORMAT CAPACITIES)基于USB大存储类UFI命令规范(Universal Serial Bus Mass Storage Class UFI Command Specification)。

FSG(File Storage Gadget)驱动程序设计是很直接的：它用一个主线程处理大多数工作。

中断处理例程域从控制器驱动程序回调：块(bulk)请求和中断(interrupt)请求完成通知(completion notification)事件、ep0事件以及断开连接事件。通过调用唤醒函数wakeup，完成事件completion被传到主线程。

许多ep0请求在中断期间被处理，但设置接口SetInterface、设置配置SetConfiguration和设备复位请求通过SIGUSR1信号以"exception(例外)"的形式转发给线程(因为它们应该中断任何正在进行的文件I/O操作)。

线程的主要工作是实现SCSI交互的标准命令/数据/状态。该线程和它的子例程充满对挂起sigal/exception(信号/异常)的测试—所有这些选择(polling)判断是必须的，因为内核没有命令集jmp/longjmp的等价语句。

只要线程活着，它将保持对大存储设备文件的引用。这将阻止依赖于文件系统的大存储设备文件的卸载(umount)并可能在诸如系统关闭的操作中引起问题。为了阻止这些问题，线程捕捉INT, TERM, 和KILL信号并把它们转化成EXIT异常操作。

在线程的正常操作中，线程在Gadget的fsg_bind()回调期间开始启动，并且在fsg_unbind()期间停止。但它也能在收到一个信号时退出，并且当线程是死了的时候，让Gadget运行是没意义。因此，在线程退出前，注销Gadget驱动程序。这样存在两个问题：第一，驱动程序在两个地方注销；第二，正退出的线程应能间接地调用fsg_unbind()，fsg_unbind()应能按次序告诉线程退出。第一个问题通过使用REGISTERED原子标识来解决，驱动程序将仅注销一次。第二个问题通过使fsg_unbind()检查fsg->state来解决，如果状态已被设置FSG_STATE_TERMINATED，它将不尝试停止线程。

为了提供最大的吞吐量，驱动程序使用了缓冲区头(结构fsg_buffhd )的环形流水线(circular pipeline)。从原理上来说流水线可以任意长，实际中常用两级(如：双缓冲区)。每个缓冲区头装有一个bulk-in和一个bulk-out请求指针(因为缓冲区可被用作输入和输出，传输方向总是以主机的角度来定义)，缓存区头还指向缓冲区和各种状态参数。

流水线的使用遵循一个简单的协议，有一个参数fsg->next_buffhd_to_fill指向下一个使用的缓冲区头。在任何时候缓冲区头可能还在被一个较早的请求使用，因此每个缓冲区头有一个状态参数指示它是EMPTY, FULL, 或BUSY。典型的使用是等待缓冲区头为EMPTY，文件I/O或USB I/O填充缓冲区(在缓冲区头是BUSY期间)，当I/O完成时标识缓冲区头为FULL。接着缓冲将被清空(可能再次通过USB I/O，这期间标识为BUSY)，并且最后再次标识为EMPTY(可能通过completion例程)。

关于ep0请求的状态级响应有一些细节需要注意。一些诸如设备复位的ep0请求，能中断正在进行的文件I/O操作，这可能在很长的时间中发生。在这个延迟期间，主机可能放弃最初的ep0请求并发出一个新的。当这发生时，驱动程序不应该通知主机最初的请求的完成，因为主机将不再等待它。因此驱动程序给每个ep0请求指定一个唯一的标签，并保持跟踪与一个长期运行的异常相关的请求的标签值(设备复位、接口变化或配置变化)。当异常处理完成时，仅如果当前ep0请求标签等于异常请求的标签值时，状态级反应被提交。这样仅最近接收的ep0请求将得到一个状态级的响应。

FSG驱动程序代码包括Gadget的细节处理、USB Mass Storage处理和SCSI协议的处理。代码在driver/usb/Gadget/file_storage.c中。