Linux下USB设备驱动程序设计

摘要在现代生活中，由于USB接口方便快捷，人们对USB设备的依赖感也越来越强。许多操作系统中也都包含了大量USB设备驱动。Linux系统几乎支持各种各样的USB设备，包括鼠标、键盘、摄像头、游戏杆等各种各样的USB设备。在主机控制器方面，Linux内核不仅支持USB1.1协议的UHCI与OHCI，还支持USB2.0协议的EHCI。本文详细的描述了USB设备的框架结构以及Linux系统下的USB驱动的框架结构。

【关键词】USB 设备驱动 Linux

1 USB总线原理

USB 协议是1994年底由康柏、IBM、英特尔等几家公司联合提出来的外部总线接口协议。USB就是英文中Universal Serial Bus（通用串行总线）的缩写。USB总线具有其他总线所不具备的如：热插拔、数据传输可靠、扩展方便、成本低等一系列特点，因此在嵌入式系统中被广泛使用。

一个USB系统一般是由一个USB主机控制器、一个或多个USB集线器和一个或多个USB设备节点组成。USB系统的物理连接具有层次性。USB总线连接USB设备和USB主机，是一种星型拓扑结构。USB的拓扑结构如图1所示。

在一个USB系统传输数据的过程中有两个非常重要的概念，就是USB传输模式和USB描述符。USB传输模式是指USB设备传输数据的形式。USB设备支持四种传输模式：控制传输模式、同步传输模式、中断传输模式和批量传输模式。控制传输模式是用来处理USB主端口到USB从端口的数据传输，主要是设备控制指令、设备查询状态指令和确认指令。同步传输模式是指传输和时间关系密切的信息所使用的一种传输方式，是一种周期的、连续的单向传输方式。中断传输模式这类传输模式主要用于传输非周期性的、自然发生的、数据量很小的信息，这类数据传输的方向是从设备到主机，适用于键盘、鼠标、操纵杆等设备上。最后一种是批量传输模式，该模式适用于大量的、对时间没有要求的数据传输，如U盘或者移动硬盘等设备。

USB设备在逻辑上分为几个层次，分别是设备层(Device)、配置层(Config)、接口层(Interface)、端点层(Endpoint)。各个层次都有与之相对的描述符，分别是设备描述符、配置描述符、接口描述符和端点描述符。

2 Linux下的USB驱动框架

USB设备的设备描述符在Linux系统中用usb_device_descriptor结构体表示，它描述了USB设备的一般信息。配置描述符用usb_config_descriptor结构体表示，它给出了USB设备的配置信息。接口驱动程序是在一个配置内给出一个接口信息，它在Linux中由usb_interface_descriptor结构体表示。端口描述符被主机用来决定每个端口的带宽需求，它在Linux系统中由usb_endpoint_descriptor结构体表示。

编写一个USB驱动程序，是从usb_driver结构体开始的。Linux中模块加载函数调用usb_register()和usb_unregister()从而对usb_driver结构体进行加载与卸载。如果某个设备信息与该驱动中usb_device_id usb_mouse_id_table 结构体的信息相一致，则会调用usb_driver中探测成员函数probe()，将初始化USB断点信息，并对设备做一些初始化工作，分配urb结构体，准备数据传输。其urb处理大致框架结构如图2所示。

当鼠标设备在用户空间打开时，将提交 probe 函数构建的 urb 请求块，urb 将开始为传送数据而忙碌了。urb 请求块就像一个装东西的“袋子”，USB 驱动程序把“空袋子”提交给 USB core，然后再交给主控制器，主控制器把数据放入这个“袋子”后再将装满数据的“袋子”通过 USB core 交还给 USB 驱动程序，这样一次数据传输就完成了。

3 结束语

由于USB简单方便快捷等优点，许多外接设备会越来越青睐USB接口，这是一种发展的趋势。Linux系统具有开源、安全等特性，用户也在急剧增加。届时，会有越来越多的USB驱动加入Linux内核之中。

参考文献

[1]Jonathan Corbet,Alessandro Rubini,Greg Kroah-Hartman等.LINUX设备驱动程序[M].北京:中国电力出版社,2006．

[2]Universal Serial Bus Specification Compaq,Intel,Mi―crosoft,NEC Revision 1.1.September 23,1998．

[3]温卡特斯瓦兰．精通Linux驱动程序开发[M].北京:人民邮电出版,2009．

[4]胡晓军,张爱成.USB接口卡发技术[M].西安:西安电子科技大学出社,2005:15-17.

作者简介

徐海林（1989-），男，江苏省南通市人。现为安徽理工大学计算机科学与工程学院学生。

作者单位

安徽理工大学计算机科学与工程学院安徽省淮南市232001