基于Linux的USB主、从设备之间的三种通信方式

1、基于Linux的USB主/从设备之间的三种通信方式随着简单易用的USB接口日益流行，在 嵌入式系统中添加对usbS口的支持已 成为大势所趋。本文通过介绍Linux中支持USB的各种模块和库，分析了在 Linux上利用USBS现高速串口而氐网连接等通信方式的具体方法。通用串行总线(USB,Universal Serial Bus)是一种非常实用的通信接口，其应用日益广泛。有三种方法可以使运行 Linux操作系统的嵌入式系统支持USB妾 口，本文将对这三种方法逐一进行介绍。基于Linux的USB设备与USB主机一般有以下三种通信方式：1. 一些功能最完 备结构也最复杂的设备采用用户定制核模块来实现

2、在标准USB总线上运行复杂的高级协议，而由USB主机上相应的用户驱动程序和应用来完成连接。2.另一些基于Linux的USB®备则利用USB总线来实现与主机上所运行的某个应用的 简单的点对点串行连接。主机上的应用虽然利用了主操作系统所提供的USBg程接口，但表面看来却似乎是在通过一个典型的串口进行通信。3 .最后，还有些设备以主计算机作为网关，将 USB®备连接到办公局域网或互联网上，从而 使US破备看起仿佛构成了一个以太网。这种方法专业性较强，但通常可行， 是主机驱动程序使该方法成为可能。在这三种方法中，您可以根据预留给开发的时间长短和期望USBR口在嵌入式应用中所扮演的角

3、色来决定选用那一种方法比较恰当。为了帮助您做出正确的 选择，下一节将向您介绍这三种方法分别应用于基于Linux的USB®备时的情况，但首先让我们对USES 口做一个大致介绍。USBffi述USB是一种方便快捷的接口，可用于为计算机工作站连接一些小配件。根据 USB 规的定义，鼠标、键盘、音频播放和录音设备、照相机、大容量存储设备以及 许多其他设备均可以通过 USBg口，以高达480Mbps的速度连接到一台主计算 机。协议定制者对USB上运行的这种复杂的主从式协议做出了仔细的说明，这 就帮助保证了所有这些设备之间具备互操作性和兼容性。例如，该协议规定， USB®备只有在被询问

4、时才可以回答，并且 USBi机会根据所连接的US暇备 类型的不同，采用某些特定的格式，在某些特定的时间段从不同的设备获取数 据。USB®备和主机之间通常通过专用的总线控制芯片建立连接。在USBi机上，名为UHCI或OHCI等的控制芯片通过插卡形式加入主机或直接集成到工作站的 主板上。在主机一端的总线控制驱动程序管理着主机控制芯片，它同时还跟踪 监视着主机目前连接的是哪些 USB®备，从而决定应如何与它们通信。可用于连接照相机和鼠标之类 USB®备的总线控制器有很多种。其中的一种就 在一块芯片上同时集成了 US眼口以及另一端的串口、 I2C接口或并口。USB空 制器

5、(包括主机上的和USB®备上的控制器)也可能集成到英特尔StrongARM或Hitachi H8之类的微控制器中去。这些芯片及其外围部件有点类似以太网和CAN®制器，不同的是他们用于连接 USB®备，并运行USBB议。很多人都知道Linux操作系统中包含了 USB主机控制器的驱动程序，因而 USB 键盘、数码相机以及其他一些 USBS备都可以在一个运行Linux操作系统的桌 面工作站上使用。但很少有人知道 Linux中还包含了一组USB设备控制器的驱 动程序，尤其是集成到StrongARM SA1110处理器中的控制器。有了这些控制器 驱动程序，基于Linux的嵌

6、入式系统就能利用USB8 口来与主计算机（运行 Linux或其他操作系统）通信。大多数USB®信的实现过程都是双端的。主机利 用一个核模块或驱动程序来与 USBS备通彳S,而USBS备则通过其自身的驱动 程序来与主机通信。根据主机和 USBS备所采用的通信风格的不同，驱动程序 可以很简单明白，也可以很复杂，很具挑战性。本文主要关注USBS备端的通信过程，但也在适当的地方包含了关于主机端通信过程实现的信息。以下讨论的技术应当引起读者的注意。本文的目的是介绍如何在数码相机和 PDA?基于Linux的US暇备上使用Linux。此处所指的USB®备是严格意义上 的US股备，即带正方

7、形连接器的完整的设备，而不是哪些连接器形状为扁平 矩形的设备。止匕外，US琏接的另一端（通常是一台PC工作站），应该是一台 USB主机。关于USB信息包的格式和通信参数的详细信息，见本文的参考文献。通过编写核模块添加USB® 口1. USB设备端通信过程向一个基于Linux的设备中添加USB8 口的第一种方法是编写一个用户定制的 Linux核模块，这也是可实现最完备功能的一种做法。采用这种方法时通常需 要针对主机的操作系统（Windows, Linux等）开发相应的驱动程序。srif wk 邮"4附'pirt tTufi ilk 'M总r* ?JLMl 加3

8、3 ApwOr如dh加工r 制拿源? Eerw * 丽 i>trapsit v 用 p#cke<sPMItT 眦匕0卬 K|HNfL| GH' EJMA1;packethltoc：骸 岫CW.SIZEdP_唯口海尹 研 津r i- nwma gi the fe“ buffM ：IM ehi Emu of ih K0.-曲阜时(chAT kmkllliXiABUF 姐l琉忆KtRNEU.尸Hup USB "<rip«g*/nrtdg dMCriptmO;161*0如勺*/utig u他比1巾七L方/kipgrOCdWT*2*用*'Buck ,

9、O1 nU;refl urn &一旦在设备中实现了用户定制的核模块，就可以使该设备完成相当复杂的功能，例如仿真一个文件系统，从而允许嵌入式应用将其USB主机当作一个远程存储设备。除此以外，采用这种方法之后，设备还可以具备存储转发(store-and-forward)的功能，因而能够在与 USB主机的连接建立之前对来自嵌入式应 用的数据流进行缓冲。在基于StrongARM的Linux设备中，核代码用于管理芯片所携带的US破备控制器外设，通过调用函数sa1100_usb_open() 来初始化。在初始化之后，核模块还会调用函数sa1100_usb_get_descriptor_ptr()

10、和sa1100_usb_set_string_descriptor()来设置在设备查询期间传送给 USBi机的描述符，其中包含设备的数字厂商号和产品标识符，以及可以让主机用来识别设备的字符串，甚至还有一个序列号域，以便主机可以唯一地识别一个连接在USB8口上的设备，或者在同种型号的多个设备中进行区分。设备查询过程是由USBS备控制器驱动的，并且一旦和 USB主机连上之后会自 动执行，所以核模块必须在 USB!信开始之前设置好每个设备的描述符。当准 备工作就绪之后，US暇备模块就会调用函数sa1100_usb_start()来通知核接 收主机发来的USB连接请求。如果设备模块在连上 USB主瓦之

11、前调用了函数 sa1100_set_configured_callback() ，那么接着核模块就会在查询过程结束时调用回调函数。回调函数很适合用来在设备上发出警告或给出一些形象的暗示，说明连接已经建立。如果不再需要进行USB!信，那么设备的核模块就会先调用函数sa1100_usb_stop(),然后调用 sa1100_usb_close(),来关闭 SA1100上的 USB 控制器。StrongARM的USB控制器支持bulk-in 和bulk-out两种数据传送方式。当接收 来自USB主机的数据包时，核模块会调用 sa1100_usb_recv(),将一个数据缓 冲区的地址和一个回调函数送

12、给它。然后核中的 USBS备控制代码会从主机取 回一个 bulk-out 数据包，将其容存入制定的缓冲区，接着调用回调函数。下一步，回调函数从接收缓冲区中提取出数据，将其存放到其他地方，或者将缓冲区空间添加到一个队列中，然后分配一个新的缓冲区来接收下一个数据包。然后，如果还有数据需要接收，那么回调函数会重新调用sa1100_usb_recv() ，准备接收另一个数据包。向USB主机发送数据的过程与此类似。核模块收集了一帧数据之后，将数据的存放地址、数据长度和回调函数的地址送给sa1100_usb_send() 函数。接着，在数据传送结束之后，核模块会调用回调函数。在 www.embedded.

13、/code.htm(arch/arm/mach-sa1100/usb-char.c) 可以找到一个叫做 usb-char 的模块，这是一个很好的设备端SA1110 Linux USB 模块的例子。该模块将USB设备与USB主机之间的连接变成一种高速串行。止匕外，usb-eth( arch/arm/mach-sa1100/usb-eth.c) 模块也是个不错的例子，该模块将US眩成了一种虚拟的以太型网络。后面会深入探讨这两种模块。2. USB 主机端通信过程有些很好的主机端USB8区动程序的例子是随主流Linux操作系统的发布而提供 的，位于The Linux Kernel Archives (

14、) 发布的原始核源代码中。其中， Handspring Visor 模块 (drivers/usb/serial/visor.c) 是一个编写得更清晰，也更易理解的模块，它同时也是USB主机端模块(drivers/usb/usb-skeleton.c) 的模板。利用USB实现高速串行通信1. USB 设备端通信过程为了达到最实用的效果，我们可以将USB总线简单地看作一个高速串口，然后，在一些嵌入式设备和应用中，我们就可以用US眼口来模拟串口。StrongARM处理器的Linux核就提供了一个名为usb-char的USBiS备驱动程 序，它所完成的恰好就是用USB真拟串口的功

15、能。当需要与USB主机通信时，Linux操作系统中的USBS备应用只是简单地打开一个与其usb-char 设备节点的连接(连接类型为字符型，major number 为 10,minor为240),然后就开始读写数据。在与 USB主机的连接建立之前，read()和 write() 操作均返回一个错误信息。一旦连接建立好，并且设备查询完成之后，USB8 口就开始象一个点对点的串口一样与主机进行通信。这种进行US琳据传送的方法非常简单有效，因而 usb-char设备模块发布之后 一直很受欢迎。而且，该模块还为通过其他方法进行USB!信提供了一个参考。在 usb-char 中，真正的操作开始于usb

16、c_open() 函数，列表1 给出了函数的一部分代码。笔者由于临时的兴趣，对该代码做了一点修改，取消了错误和超时句柄。在此向代码的原作者Brad Parker 、 Nicolas Pitre 和 Ward Willats 致歉。twiddle_descriptors()函数用于设置设备的USB的述符。在描述符设置好之后，我们就可以开始进行设备查询，并从USB主机接收一帧数据。kick_start_rx() 函数段的代码主要用于调用sa1100_usb_recv() ，建立回调。在USB主机发送一个数据包时，设备的核模块会通过回调方式调用rx_done_callback_packet_buff

17、er() 函数，将数据包的容送入一个 FIFO 队歹!J, 以便能通过read() 函数将该数据包返回给usb-char 设备节点。2. USB 主机端通信过程对于运行Linux操作系统的USB主机，与usb-char相应的USB主机模块叫做 usbserial 。大多数Linux 版本中都包含了该模块，但它并不总能自动加载。通常应在主机与USB设备之间的连接建立之前利用 modprobe或insmod加载该模 块。USBS备查询完成之后，主机上白一项应用就会利用某个usbserial设备节点(字符型 , major 为 188, minor 大于等于0)与其通信。这些节点通常叫做/dev/t

18、tyUSBn 。 Usbserial模块会报告它将哪一个节点分配给了哪一台US暇备，并将这一信息按如下方式记载在核消息记录中：usbserial.c ：检测到一般转换器usbserial.c ：将一般转换器加入ttyUSB0这种连接一旦建立，USB主机上的应用就可以通过向特定的节点读或写的方式 与某USB设备通信。此时，笔者并未考虑在运行 Win32或其他类型操作系统的主机上已有类似 usbserial的模块。但用于这些主机上的任何US围区动程序，只要能够进行bulk-in 和 bulk-out 数据传输，就很可能是一个近乎完整的驱动程序，只需进行一定的产品调整，并添加与产品绑定的厂商ID。L

19、inux 主机上还有另一种类似usbserial 模块的库，叫做libusb ( 参见) 。该库通过低级的核系统调用而不是通过usbserial模块来完成USBR据传输，因而在Linux kernel版本上更容易设置和使用。同 时，该库还能提供大量实用的调试功能，十分利于对 USB上运行的复杂的通信 协议进行调试。为了通过libusb与一个采用了 usb-char模块的USBiS备进行通信，Linux主机应用首先通过库中的usb_open() 函数与设备建立连接，然后利用函数usb_bulk_read() 和 usb_bulk_write() 与设备交换数据。Libusb 中含有几个程序例。利

20、用USB实现以太网连接1. USB 设备端通信过程如果利用US琏接来实现高速串口并非您所希望，那么您还可以将所有USB连接用作一个以太网。不论在主机端还是在设备端，Linux 均有模块能实现这一功能。iPAQ(掌上电脑)的Linux核就独一无二地采用了这种通信策略，因为iPAQ硬件中既没有可访问的串口也没有专门的网络接口。StrongARM Linux 核中，有一个叫做usb-eth 的模块 (arch/arm/mach-sa1100/usb-eth.c),它利用USB乍为物理媒介，模拟出一个虚构的以太网设备。一旦这种网络接口创建起来之后，就可以为它分配IP 地址，并且外部环境均将其作为一个普

21、通的以太网硬件对待。一旦USB主机连接建立起来，usb-eth模块就允许US暇备“浏览”因特网，拼其他的IP地址，甚至通过DHCP HTTP NFS或者远程网“交谈”，以及收发电子。简而言之，任何能够在真正的以太网接口上运行的应用都可以原封不动地在usb-eth 上运行，因为这些应用无法识别它们所使用的其实并非真正的以太网硬件。2. USB 主机端通信过程相应的，在运行Linux操作系统的主机一端，可用来在 USB上实现以太网连接 的核模块叫做usbnet。安装了该模块之后，一旦主机与 USB®备的连接建立起 来，它就会创建一个虚拟的以太网接口，在主机一端的核模块以及用户应用看来，这个虚拟的接口与真正的以太网