嵌入式Linux系统下的USB驱动程序开发

2024年4月21日发(作者：)

嵌入式Linux系统下的USB驱动程序开

发

摘要：随着科学技术的不断发展，奇瑞怒视Linux系统被广泛应用，其功能

的不断增加，为后期的程序开发奠定了坚实的基础。我们经常见到计算机上有许

多USB接口，对此类USB设备而言，嵌入式Linux系统下的USB驱动程序开发十

分关键，并且Linux系统内核也能够支持USB设备的接入。文章对嵌入式Linux

系统与USB设备驱动的基本架构进行介绍，探讨驱动程序开发期间所设计到的技

术要点。

关键词：程序开发；嵌入式；USB驱动程序；Linux系统

前言：关于连接外部设备串行总线的标准则以通用串行总线为主，具有即插

即用、热插拔等优势。当下嵌入式微处理器的技术发展极为迅速，其外设与CPU

不仅价格低廉，结构小巧，便于携带，还具备强大的功能，能够为为嵌入式设备

提供可靠的保障，加快了嵌入式系统的发展速度。此外，随着USB的不算发展，

逐渐代替了传统的串并口，已成为了电脑和外部设备间数据传递的关键途径。

1.嵌入式Linux系统

最早的嵌入式系统出现在20世纪60年代末期，当时用来控制机电电话交换

机，而目前已经在军事装备、通讯、航空、工业制造、汽车、仪器仪表等领域得

到广泛应用。CPU相当于计算机系统的神经中枢，每年在全球范围内的产量约有

20亿颗，其中就有高达82%应用在不同专业性极强的嵌入式系统中。通常情况下，

只要是携带微处理器的专业软硬件系统均可称作嵌入式系统。在嵌入式操作系统

中，嵌入式Linux是一个新成员，其最大的优势在于遵循GPL协议与源代码公开，

近些年来热度不减。现阶段，正在投入开发的嵌入式系统当中，约50%的项目都

选择Linux，以此作为嵌入式操作系统

[1]

。嵌入式Linux，通过优化与加工不断发

展着的Linux操作系统，保证它能够在多种计算机系统中更加适配、兼容，构建

良好的系统环境，其除了具备嵌入式操作系统的特性以外，还继承了互联网上海

量的开放源代码资源。同时，该操作系统的版权费是免费的，并且性能优异，容

易移植软件，开放的代码资源为更多的应用软件提供了有力的支持，在开发应用

产品时无需过多的开发周期，可以提高新产品的上市速度。再者实时性能

RT_Linux Hardhat Linux等嵌入式Linux的支持，可以更好地保障系统的安全性、

实时性及稳定性

[2]

。我们在使用计算机上网的过程中，往往需要进入网络设置板

块配置网络，在控制面板中找到网络和internet设置，当你鼠标右键单击时，

会出现相应的网络属性菜单栏，里面就包含有TCP/IP协议，它可以支持Linux

在网络正常运行，同时还可以为其提供成百上千兆的以太网络络，如光纤、令牌

环网等等，所以Linux非常适合被用于各种程序的开发。此外，由于Linux系统

自身就具备良好的模块性能，所以它的大小与嵌入式操作系统的要求相适合，让

一切都成为了可能，从而出现了FirePlug、ETLinux、LOAF、LEM等嵌入式Linux

系统。

基础及其驱动程序结构介绍

2.1USB基础

USB作为一类电缆总线，支持各类即插即用的外部设备在主机上实现数据传

输。在主机与其他设备运行的过程中，USB总线允许使用、添加、设置外部设备。

一个整体的USB系统涵盖了多类硬件设备的功能，其中包括USB HUB、USB HOST

和USB DEVICE。其中USB HUB为集线器，利用一个小小的集线器，可以在上面接

入多个USB数据线，可以同时实现多个设备的数据传输。在USB系统中，想要实

现USB总线通信功能，还要以轮询机制为基础，在整个系统中主机是主导，支配

着数据的分发与传输，任何的数据通信均由主机发起。此外，USB的传输方式种

类繁多，包含有同步传输、中断传输、批量传输等，通信数据一般为双向，起到

了很强的互动效用。由主机把数据输送到USB设备中，这便是数据下行链路。经

过USB设备把数据输送到主机上，这便为数据下行通道。也多种多样，分别具有

四类传输方式，分别为中断传输、控制传输、同步传输和批量传输，可以双向传

输通信数据。数据通过主机传至USB设备，在此情况下就叫作下行通信。当数据

由USB设备向主机进行传输时，就叫作上行通信，主机掌握最大控制权。

2.2USB驱动基本框架

Linux系统中，由USB主机控制器驱动和USB设备驱动设备组成一个USB驱

动整体。其中USB设备驱动指的是实际的设备，包含有USB键盘、USB摄像头与

USB鼠标等。USB主机控制器是用于驱动芯片上的主机控制器硬件，主要负责和

USB接口间的数据传输。USB最关键部分主要负责HUB驱动程序与设备驱动程序

接口的USB总线管理。USB设备类型的驱动程序作为各个应用程序交互的衔接模

块，能够对特定USB设备进行访问，实现应用程度的接口访问。由于USB设备应

用到的函数和设备通信主要由USB核心所提供，因此其和平台并没有太大关系。

2.3USB总线传输协议

关于USB总线的数据传输，也需要按照既定的协议和规则执行，该协议的主

要对象为USB设备、USB主机，两者需要制定相应的数据流协议。在数据传输过

程中，USB总线传输协议通常划分为三层，即数据传输层、信号层、协议层。我

们常说的数据包，就是在信号层传输的位信息，多个包信息组合在一起就形成了

包信息流，主要在协议层进行传输，又称为事务处理。USB将总线上的时间分成

若干个固定大小的帧，每个帧的大小根据SOF作为起始点，在每个帧内部能够以

多个信息包的形式进行传输

[3]

。

3.嵌入式Linux系统下的USB驱动程序开发

USB驱动程序仍旧根据驱动-总线-设备的模型进行运转。同I2C总线设备的

驱动编写一致，全部的USB驱动程序均应构建以struct usb_driver为主的结构

体，其为USB核心代码描述了USB驱动程序。然而这仅仅是一个框架，用来挂接

总线与设备，还需要字符设备、文件操作接口等相关工作的开展。

3.1为驱动程序提供支持的设备

Structusb_device_id结构体提供了各种驱动程序支持的USB设备，一个ID

身份标识也仅仅可以控制一个USB设备驱动程序，对此，该结构体通常被这样定

义：

“USB_SKEL_VENDOR_ID 0xfff0”、“USB_SKEL_PRODUCT_ID 0xfff0”

此外，还可以在代码中标出MODULE_DEVICE_TABLE(usb,skel_table)，括号

外的代码标识设备列表类型，括号中的是参数方面的设计，参数“usb”表示设

备类型，“skel_table”参数表示设备表的名称

[4]

。假如你想要设计USB类型的

设备驱动，第一个参数就写usb，如果你要设计摄像头类型的设备驱动，第一个

参数就写CD。

3.2注册和注销USB驱动

无论是USB设备驱动的注册，还是其卸载，均会使用到usb_driver结构体。

而且该结构体必须编写在驱动程序当中，其囊括了大量的回调函数，有助于相关

核心代码实现此类驱动特有的功能，保证所创建的structusb_driver结构体的

有效性

[5]

。特别是与hotplug相关的USB设备驱动，需要经过模块化的编译，再

把它挂在Linux内核，确保系统的高效运转。usb设备驱动以Usb_driver参数为

主，搭建外部框架，与此同时还应注重对其成员函数的分析。注册代码包括

“struct usb_driver skel_drive”，并且在此参数中还包括“name”、

“owner”、“probe”、“id_table”、“disconnect”等五个字段，着五个字

段经常出现在初始化代码编写阶段，分别表示模块的名字、模块的所有者、探测

函数、驱动程序所支持的设备列表、断开函数。利用设备驱动结构体参数的

usb_register_driver函数调用，将设备驱动注册至USB的核心中。

关于USB设备驱动的注销，代码框架包括“Static void_exit

usb_skel_exit(void)”，其中“exit”代表退出，除此之外，还需要用到

usb_deregister_driver函数，将struct_driver从Linux内核当中注销掉。因

为上述注册提到“struct usb_driver skel_drive”，所以还需要进入

skel_drive中进行操作，如Usb_deregister(&skel_driver)。

3.3回调函数的探测

借助USB接口对相关设备进行安装时，如果USB核心代码能够实现对这一驱

动的处理，probe就会被调用，该探测函数将检查命令向其他设备进行传递，并

对这一驱动程序进行准确判断，分析该驱动对此类设备的适应程度。加入这一驱

动程序与此类设备不符合，也不适用，或者因为某些因素，设备被移除，这时断

开函数就会被调用

[6]

。通常，在USB设备驱动程序的集线器内核线程使用探测与

断开回调函数，要想节省USB探测的周期，尽量在打开USB设备时完成相关工作。

对于探测函数，只有在USB驱动程序初始化阶段才能发挥最大作用，这时因为它

会对USB设备的所有本地结构进行管理，更方便相关操作

[7]

。要想真正达到设备

通信的目的，还必须依靠USB驱动的相关技术特性，对设备的端点地址进行探测，

这样一来就会通过USB驱动与外部设备连接关系的创建，从而实现USB驱动与外

部设备的通信功能。探测代码应包括“for(i=0; Endpoints;++i)”，

对所有端点进行轮番询问，利用“endpoint=& iface_desc->endpoint [j].desc”

对端点数据结构进行查看，然后采用if条件函数的方式，引出批量输入端点，

接着再通过“buffer_size”函数，用来获取端点数据包大小，最后借用

“bulk_in_endpointAddr=endpoint”函数来获取端口地址

[8]

。因一个USB接口具

备多种设置类型，每个类型的设置中所配置的端点都大不相同。探测函数利用一

个循环语句探测不同端点，明确端点的传输方向，同时实现储存功能，方便后期

读写函数的调用。

3.4实现对urb的控制

urb在驱动程序中通常使用structurb进行描述，通过一类异步的方式且相

同USB设备的特定端点发送与接收数据实现数据的接收和发送。不同类型的USB

设备驱动可结合自身特点与具体情况，对多个向的urb端点进行布置。不同设备

中的端点都应和urb队列相对应，做好相关的处理工作，在清空许多个urb队列

之前，数据就已传输到相同端点。在创建urb的过程中，可通过usb_alloc_urb

函数，如果驱动已经完成对urb的使用，就要应用到usb_free_urb函数，实现

对更多urb的释放。假如已完成对urb的建立，同时开始初始化，它就能传输至

USB核心代码中。当USB核心已存在urb时，直至结束处理任务，在调用例程函

数前，都无法访问urb中的函数成员。假设usb_submit_urb函数被成功调

用,USB核心获得对urb的控制权，这时函数就会返回零值。倘若对

usb_kill_urb函数进行调用，那么就会终止urb的生命周期，往往在设备从系统

卸载或者清除时，调用断开回调函数

[9]

。

3.5对USB设备驱动程序的编译

基于嵌入式Linux系统下的驱动程序，是将所编写的程序语言进行编译，以

模块化的形式呈现出来，然后加载至内核中实现运行。针对程序员已编写好的驱

动程序，需要建立一个与其相对应的makefile文件，在编译好make之后就能自

动生成一个驱动模块。借助insmod***.ko便能把驱动程序放入内核中正常运行

[8]

。

要想查看所在内核中加载的驱动模块，可使用lsmod命令。关于编译的makefile

文件代码包括“Ifneq($(KERNELRELEASE),)”、“Obj-m:=usb-

nRf2401_transmit,o”、“KERNELDIR?”、“PWD:=$(shell pwd)”等，在此过

程中也使用到了if..else条件函数，其中的“KERNELRELEASE”为内核识别，

Obj代表编译语言代码。为了使所编译的内核可以成功地安装在开发板中，

“KERNELDIR?”的作用必不可少，因为其代表内核文件的安装路径，必须将路径

地址填写正确。在创建开发板Linux系统设备节点时，该设备节点表示一个文件，

以文件的形式将具体的设备表现出来，由设备文件来操作相应的应用程序，从而

连接驱动程序

[10]

。

所以可在计算机桌面操作终端指令，如mknod/dev/cy6822 c 180 192,其中

mknod是开发板，dev则是开发板下的文件夹，设备节点就是此路径下一个名称

为cy6822的字符，180代表主设备号，192表示次设备号。最终把已经编译完成

的驱动模块文件下载至开发板，使顺利执行，就能够把驱动模块顺利

插入内核之中了。利用计算机桌面的超级终端可发现，在FPGA开发板借助USB

同ARM开发板进行连接之后，USB设备便能接入系统，被系统所识别。

结语：综上所述，在嵌入式Linux系统普遍应用的背景下，提高了USB应用

的几率和性能，并且还加快了其传输速率，如USB2.0、USB3.0等。伴随着嵌入

式Linux系统下的USB驱动开发愈发重要，唯有明确该驱动程序的编写流程与细

节，保证编写质量，注重系统版本的更新和升级，方可进一步满足Liunx系统和

外部设备的交互需求。本文所加法的驱动已在mini开发板成功移植，对于该驱

动程序编写的要点和过程均可参考到其他的USB驱动程序中。

参考文献：

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[10]查荣明,孔康,石璐.基于Linux的USB驱动研究与实现[J].信息与电脑

(理论版),2018(11):85-88.