USB設(shè)備在Linux系統(tǒng)中的識別和加載過程

一、前言

不知道大家在學(xué)習(xí)Linux的時(shí)候有沒有過這樣的疑問，為什么我們通過同一個(gè)接口接入的不同USB設(shè)備，我們的電腦都可以識別到呢？為什么Linux電腦不會(huì)把鼠標(biāo)識別成鍵盤呢？帶著這些疑問我們一起來看一下USB的識別和加載過程。

二、USB設(shè)備的識別過程

當(dāng)我們插入一個(gè)USB設(shè)備時(shí)，Linux內(nèi)核會(huì)自動(dòng)檢測并加載相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序，使設(shè)備能夠正常工作。下面我們將深入探討USB設(shè)備在Linux系統(tǒng)中的識別和加載過程。

2.1 USB控制器檢測設(shè)備插入

USB控制器是一個(gè)硬件設(shè)備，用于控制USB總線上的設(shè)備。當(dāng)你插入一個(gè)USB設(shè)備時(shí)，USB控制器會(huì)檢測到電壓變化并發(fā)出一個(gè)中斷信號。這個(gè)中斷信號被送到處理器上的USB控制器中斷線上，告訴Linux內(nèi)核有新的USB設(shè)備插入。

2.2 內(nèi)核檢測并加載驅(qū)動(dòng)程序

當(dāng)內(nèi)核接收到USB控制器發(fā)出的中斷信號時(shí)，它會(huì)調(diào)用USB子系統(tǒng)中的usbcore模塊，該模塊負(fù)責(zé)檢測新的USB設(shè)備并加載相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序。usbcore模塊首先會(huì)檢測設(shè)備的描述符，這個(gè)描述符包括設(shè)備的廠商ID、產(chǎn)品ID、類別碼等信息。

如果已經(jīng)存在一個(gè)匹配的驅(qū)動(dòng)程序，那么usbcore模塊就會(huì)加載這個(gè)驅(qū)動(dòng)程序。如果沒有匹配的驅(qū)動(dòng)程序，則會(huì)嘗試加載一個(gè)通用的驅(qū)動(dòng)程序，這個(gè)驅(qū)動(dòng)程序能夠支持大多數(shù)USB設(shè)備。

2.3 驅(qū)動(dòng)程序向USB子系統(tǒng)注冊

一旦正確的驅(qū)動(dòng)程序被加載，它會(huì)向USB子系統(tǒng)注冊并告訴它自己可以處理哪些設(shè)備。這一步通常包括向內(nèi)核注冊USB設(shè)備的類別（如存儲設(shè)備、輸入設(shè)備等）。

這個(gè)過程包括了向內(nèi)核注冊一個(gè)新的USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，并在該驅(qū)動(dòng)程序中指定設(shè)備的廠商ID、產(chǎn)品ID等信息。一旦驅(qū)動(dòng)程序被成功注冊，USB子系統(tǒng)就可以將設(shè)備與正確的驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行匹配。

2.4 USB子系統(tǒng)創(chuàng)建設(shè)備節(jié)點(diǎn)

USB子系統(tǒng)接下來會(huì)為設(shè)備創(chuàng)建一個(gè)設(shè)備節(jié)點(diǎn)。設(shè)備節(jié)點(diǎn)是一個(gè)特殊的文件，在/dev目錄下，它允許用戶空間程序與設(shè)備通信。設(shè)備節(jié)點(diǎn)的名稱通常是由內(nèi)核根據(jù)設(shè)備的廠商ID、產(chǎn)品ID和序列號等信息動(dòng)態(tài)生成的。

設(shè)備節(jié)點(diǎn)的創(chuàng)建是通過udev守護(hù)進(jìn)程實(shí)現(xiàn)的，這個(gè)守護(hù)進(jìn)程會(huì)監(jiān)視系統(tǒng)中的設(shè)備插拔事件，并自動(dòng)創(chuàng)建或刪除相應(yīng)的設(shè)備節(jié)點(diǎn)。創(chuàng)建設(shè)備節(jié)點(diǎn)之后，內(nèi)核就可以將設(shè)備的訪問權(quán)限分配給用戶空間程序。

2.5 驅(qū)動(dòng)程序初始化設(shè)備

驅(qū)動(dòng)程序被通知有新的設(shè)備插入后，它會(huì)對設(shè)備進(jìn)行初始化。初始化可能包括設(shè)置設(shè)備的傳輸速率、分配內(nèi)存緩沖區(qū)等。設(shè)備初始化完成后，驅(qū)動(dòng)程序會(huì)向USB子系統(tǒng)報(bào)告設(shè)備已準(zhǔn)備好。

2.6 用戶空間程序打開設(shè)備：

最后，用戶空間程序可以打開設(shè)備節(jié)點(diǎn)并與設(shè)備通信。設(shè)備節(jié)點(diǎn)的權(quán)限通常被設(shè)置為只允許root用戶或在相關(guān)組中的用戶訪問。用戶空間程序可以使用系統(tǒng)調(diào)用（如read和write）向設(shè)備發(fā)送命令和接收數(shù)據(jù)。

通過這個(gè)過程，Linux系統(tǒng)可以自動(dòng)識別設(shè)備并加載相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序，使設(shè)備可以正常工作。這也是為什么當(dāng)我們插入一個(gè)USB設(shè)備時(shí)，我們不需要手動(dòng)安裝任何驅(qū)動(dòng)程序或執(zhí)行任何其他操作就可以直接開始使用設(shè)備。

當(dāng)你插入一個(gè)USB設(shè)備時(shí)，Linux系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)執(zhí)行上述步驟，從而自動(dòng)識別設(shè)備并加載相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序，使設(shè)備可以正常工作。下面我們從代碼的層面來分析一下該過程。

三、代碼實(shí)現(xiàn)講解

下面我通過一些示例代碼，講解一下USB設(shè)備在Linux系統(tǒng)中的識別和加載過程。這些示例代碼只是講解一下原理，實(shí)際代碼將會(huì)更加復(fù)雜。

3.1 檢測設(shè)備插入

當(dāng)USB設(shè)備插入到系統(tǒng)中時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)中斷信號，這個(gè)信號會(huì)被處理器上的USB控制器中斷線捕獲，并由內(nèi)核的USB子系統(tǒng)處理。下面是一個(gè)示例代碼，演示如何檢測USB設(shè)備的插入和拔出事件：

#include
#include

intmain(){
libusb_device**devs;
libusb_context*ctx=NULL;

intr=libusb_init(&ctx);
if(r

	

	這段代碼使用了libusb庫，這是一個(gè)C語言庫，用于訪問USB設(shè)備。它提供了一個(gè)用于初始化USB子系統(tǒng)和掃描USB總線的API，以及用于訪問USB設(shè)備的API。

	3.2 加載驅(qū)動(dòng)程序

	一旦檢測到設(shè)備插入，USB子系統(tǒng)會(huì)嘗試加載一個(gè)適當(dāng)?shù)尿?qū)動(dòng)程序。下面是一個(gè)示例驅(qū)動(dòng)程序代碼，它負(fù)責(zé)支持USB存儲設(shè)備（例如U盤）：

	
#include
#include

staticstructusb_device_idstorage_devices[]={
{USB_DEVICE(0xabcd,0x1234)},
{USB_DEVICE(0xffff,0xffff)},
{}
};
MODULE_DEVICE_TABLE(usb,storage_devices);

staticintstorage_probe(structusb_interface*interface,conststructusb_device_id*id){
//初始化設(shè)備并注冊
return0;
}

staticvoidstorage_disconnect(structusb_interface*interface){
//釋放設(shè)備
}

staticstructusb_driverstorage_driver={
.name="usb-storage",
.probe=storage_probe,
.disconnect=storage_disconnect,
.id_table=storage_devices,
};

module_usb_driver(storage_driver);


	

	這段代碼演示了一個(gè)簡單的驅(qū)動(dòng)程序，它可以處理USB存儲設(shè)備的插入和拔出事件。在加載驅(qū)動(dòng)程序時(shí)，內(nèi)核將搜索已加載的驅(qū)動(dòng)程序列表，以查找與設(shè)備匹配的驅(qū)動(dòng)程序。

	如果找到了匹配的驅(qū)動(dòng)程序，內(nèi)核將使用該驅(qū)動(dòng)程序來管理該設(shè)備。如果沒有找到匹配的驅(qū)動(dòng)程序，內(nèi)核將不會(huì)加載任何驅(qū)動(dòng)程序。

	3.3 設(shè)備注冊

	一旦找到了與設(shè)備匹配的驅(qū)動(dòng)程序，驅(qū)動(dòng)程序?qū)⒈患虞d并啟動(dòng)，它將嘗試對設(shè)備進(jìn)行初始化，并將其注冊到內(nèi)核。下面是一個(gè)示例代碼，演示如何初始化USB存儲設(shè)備并將其注冊到內(nèi)核：

	
staticintstorage_probe(structusb_interface*interface,conststructusb_device_id*id){
structusb_device*dev=interface_to_usbdev(interface);

//獲取設(shè)備描述符
structusb_device_descriptordesc;
intr=usb_get_descriptor(dev,USB_DT_DEVICE,0,&desc,sizeof(desc));
if(r

	

	上面這段示例代碼使用了內(nèi)核的usb_get_descriptor()函數(shù)來獲取設(shè)備描述符，并使用printk()函數(shù)將設(shè)備信息記錄到內(nèi)核日志中。

	當(dāng)驅(qū)動(dòng)程序?qū)⒄{(diào)用設(shè)備初始化函數(shù)并將其注冊到內(nèi)核，但是由于設(shè)備初始化和注冊的過程因設(shè)備而異，因此這里省略了這部分代碼。

	3.4 設(shè)備訪問

	一旦設(shè)備已經(jīng)被注冊到內(nèi)核，用戶空間程序就可以通過設(shè)備節(jié)點(diǎn)來訪問設(shè)備。在Linux系統(tǒng)中，設(shè)備節(jié)點(diǎn)是一種特殊的文件，可以通過標(biāo)準(zhǔn)文件I/O函數(shù)來訪問。下面是一個(gè)示例代碼，演示如何打開并讀取USB存儲設(shè)備：

	
#include
#include
#include

intmain(){
//打開設(shè)備節(jié)點(diǎn)
intfd=open("/dev/sdb",O_RDONLY);
if(fd

	

	這段代碼使用了標(biāo)準(zhǔn)的文件I/O函數(shù)來訪問設(shè)備節(jié)點(diǎn)。在這個(gè)例子中，設(shè)備節(jié)點(diǎn)的路徑是/dev/sdb，這是一個(gè)典型的USB存儲設(shè)備節(jié)點(diǎn)。接下來，程序?qū)⒃O(shè)備節(jié)點(diǎn)作為文件打開，并使用read()函數(shù)從設(shè)備中讀取數(shù)據(jù)。一旦完成數(shù)據(jù)的讀取，程序?qū)㈥P(guān)閉設(shè)備節(jié)點(diǎn)并退出。

	四、結(jié)語

	Linux系統(tǒng)識別USB設(shè)備的過程可以分為四個(gè)步驟：設(shè)備連接、驅(qū)動(dòng)匹配、設(shè)備注冊和設(shè)備訪問。當(dāng)用戶將USB設(shè)備插入計(jì)算機(jī)時(shí)，內(nèi)核將通過USB總線來檢測設(shè)備的插入事件，并嘗試查找與設(shè)備匹配的驅(qū)動(dòng)程序。一旦找到了匹配的驅(qū)動(dòng)程序，驅(qū)動(dòng)程序?qū)⒈患虞d并啟動(dòng)，它將嘗試對設(shè)備進(jìn)行初始化，并將其注冊到內(nèi)核。一旦設(shè)備已經(jīng)被注冊到內(nèi)核，用戶空間程序就可以通過設(shè)備節(jié)點(diǎn)來訪問設(shè)備。

	在Linux系統(tǒng)中，驅(qū)動(dòng)程序是非常重要的組成部分，它們負(fù)責(zé)管理和控制系統(tǒng)中的各種設(shè)備。對于USB設(shè)備而言，內(nèi)核提供了一個(gè)通用的USB驅(qū)動(dòng)框架，它可以自動(dòng)檢測和加載驅(qū)動(dòng)程序，并為用戶提供了一個(gè)簡單而強(qiáng)大的USB設(shè)備訪問接口。通過深入理解USB驅(qū)動(dòng)程序的工作原理，我們可以更好地理解Linux系統(tǒng)中設(shè)備管理的內(nèi)部機(jī)制，這對于開發(fā)和調(diào)試設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序非常有幫助。

	審核編輯：湯梓紅