Loading... # USB 驱动程序开发基础知识 USB(Universal Serial Bus)是一种广泛使用的外设连接标准,几乎所有的计算设备都支持 USB 设备,如存储设备、键盘、鼠标、打印机等。开发 USB 驱动程序是硬件驱动开发中的一个重要领域,特别是在嵌入式系统和操作系统开发中。本文将详细介绍 USB 驱动程序开发的基础知识,帮助读者了解 USB 驱动的工作原理及如何进行开发。 ## 1. USB 协议概述 ### 1.1 USB 通信模型 USB 是一种主从架构(Host-Device),主机(Host)负责与设备(Device)进行通信。USB 使用三层通信模型: - **主机控制器(Host Controller)**:主机端的硬件和软件负责管理总线通信。 - **设备端(Device)**:外部 USB 设备,包含硬件接口和固件,支持不同的功能(如存储、输入等)。 - **传输类型**: - **控制传输(Control Transfer)**:用于设备配置和命令控制,通常在设备初始化时使用。 - **中断传输(Interrupt Transfer)**:用于周期性的小数据传输(如键盘、鼠标)。 - **批量传输(Bulk Transfer)**:大数据量传输,通常用于存储设备。 - **同步传输(Isochronous Transfer)**:用于音视频等实时数据流传输。 ### 1.2 设备描述符 USB 设备通过一组描述符(Descriptor)向主机报告自身属性,包括设备类型、支持的配置、接口、端点等信息。常见的描述符有: - **设备描述符(Device Descriptor)**:描述设备的基本信息,如供应商 ID(VID)和产品 ID(PID)。 - **配置描述符(Configuration Descriptor)**:定义设备的电源需求和支持的功能配置。 - **接口描述符(Interface Descriptor)**:定义设备的逻辑接口,例如 HID、Mass Storage 等。 - **端点描述符(Endpoint Descriptor)**:定义设备通信的通道,USB 设备通过端点进行数据传输。 ## 2. USB 驱动程序的基础架构 ### 2.1 USB 驱动的层次结构 USB 驱动程序由多层次组成,分为**主机驱动**和**设备驱动**两部分。主机驱动负责与硬件通信,设备驱动则负责处理设备的高层次功能。 - **主机控制器驱动(Host Controller Driver, HCD)**:与主机硬件直接交互,管理总线和设备的物理通信。 - **核心 USB 驱动(USB Core Driver)**:负责初始化、枚举设备以及管理设备的状态和配置。 - **设备类驱动(Class Driver)**:根据设备的类型(如存储设备、HID 设备等)提供特定的功能。 - **USB 设备驱动(Device Driver)**:具体的设备驱动程序,用于处理设备的高层次操作逻辑。 ### 2.2 Linux 下的 USB 驱动 在 Linux 系统中,USB 驱动程序主要包括以下模块: - **usbcore**:USB 核心模块,负责设备的识别、管理和通信。 - **ehci-hcd、uhci-hcd**:USB 主机控制器驱动,不同的 USB 版本有不同的 HCD 驱动。 - **设备驱动模块**:每个 USB 设备都有自己的设备驱动模块,例如 `usb-storage` 用于 USB 存储设备。 ### 2.3 驱动程序接口 USB 驱动程序通过特定的内核接口与操作系统和设备进行交互。在 Linux 中,USB 驱动通过 `struct usb_driver` 结构体注册驱动程序,主要包含以下函数: ```c struct usb_driver { const char *name; // 驱动程序名称 const struct usb_device_id *id_table; // 设备 ID 表,用于匹配设备 int (*probe)(struct usb_interface *intf, const struct usb_device_id *id); // 插入时调用 void (*disconnect)(struct usb_interface *intf); // 移除时调用 }; ``` - **probe**:当系统检测到设备时调用,负责初始化设备并为其分配资源。 - **disconnect**:当设备从系统移除时调用,释放资源。 ## 3. USB 驱动开发的关键步骤 ### 3.1 设备识别与枚举 设备连接后,USB 主机通过读取设备描述符识别设备的类型、供应商和产品信息。驱动程序的 `probe` 函数用于检查设备 ID 是否与驱动匹配,并初始化设备。 ```c int my_usb_probe(struct usb_interface *interface, const struct usb_device_id *id) { // 初始化设备,例如分配内存、注册设备等 printk(KERN_INFO "USB Device Connected: Vendor ID=%04X, Product ID=%04X\n", id->idVendor, id->idProduct); return 0; } ``` 通过 **设备 ID 表** `usb_device_id` 匹配设备的供应商 ID(VID)和产品 ID(PID),系统根据该表决定调用哪个驱动。 ### 3.2 设备端点与数据传输 USB 设备的通信通过端点(Endpoint)进行,每个端点对应一种传输方式。在驱动中,开发者可以通过 `usb_bulk_msg` 或 `usb_interrupt_msg` 函数实现批量传输或中断传输。 ```c int my_usb_read(struct usb_device *dev, unsigned char *data, int size) { int ret, actual_length; // 执行批量读取操作 ret = usb_bulk_msg(dev, usb_rcvbulkpipe(dev, endpoint), data, size, &actual_length, timeout); return ret; } ``` - **usb_bulk_msg**:用于批量传输数据,常用于存储设备。 - **usb_interrupt_msg**:用于中断传输,适用于键盘、鼠标等设备。 ### 3.3 设备中断处理 某些 USB 设备需要处理中断传输,如键盘、鼠标等。在这些设备中,驱动程序需要设置中断传输的回调函数来处理输入事件。 ```c void my_usb_interrupt_handler(struct urb *urb) { // 处理中断数据 printk(KERN_INFO "USB Interrupt Received\n"); } ``` - **urb(USB Request Block)**:是 USB 驱动中用于传递请求的结构体,用于异步传输数据。 ### 3.4 设备断开与资源释放 当 USB 设备从系统中移除时,驱动程序的 `disconnect` 函数将被调用,负责释放设备的资源: ```c void my_usb_disconnect(struct usb_interface *interface) { printk(KERN_INFO "USB Device Disconnected\n"); // 释放设备资源 } ``` ## 4. USB 驱动调试与开发工具 ### 4.1 dmesg 与 printk 在 Linux 开发 USB 驱动时,可以使用 `dmesg` 命令查看内核日志,尤其是 `probe` 和 `disconnect` 函数中的 `printk` 输出信息,了解驱动加载和设备识别情况。 ### 4.2 USB 协议分析工具 - **Wireshark**:可以捕获 USB 数据包,帮助分析 USB 设备的通信协议。 - **usbmon**:Linux 内核提供的 USB 调试工具,可以监视和记录 USB 数据流。 ### 4.3 设备文件与调试接口 为了与 USB 设备交互,通常需要通过 `/dev` 设备文件访问。可以为设备创建字符设备接口,在驱动程序中实现 `read`、`write` 函数,从而允许用户空间程序访问 USB 设备。 ```c static struct file_operations fops = { .owner = THIS_MODULE, .read = my_usb_read, .write = my_usb_write, }; ``` 通过注册字符设备,用户空间程序可以使用 `open`、`read`、`write` 等系统调用与设备交互。 ## 5. USB 驱动开发总结 USB 驱动开发涉及的知识包括 USB 协议、内核模块编程、设备端点管理以及数据传输方式等。在实际开发过程中,需要深入理解设备描述符、端点配置和数据传输的工作原理,同时熟练掌握内核模块的开发技巧。 通过掌握 USB 驱动的基本架构与开发流程,开发者可以为各类 USB 设备编写高效的驱动程序,确保设备在不同操作系统和硬件平台上能够稳定运行。 最后修改:2024 年 09 月 16 日 © 允许规范转载 打赏 赞赏作者 支付宝微信 赞 如果觉得我的文章对你有用,请随意赞赏