LinuxUSB设备驱动开发

封面图 • 2025-10-14 • 嵌入式

Linux USB 设备驱动开发是一个涉及硬件与操作系统交互的复杂领域，通常用于为 USB 设备（如键盘、鼠标、存储设备、HID 设备等）编写内核模块。以下是一份关于 **Linux USB 驱动开发** 的简要指南，涵盖基本概念、开发流程和示例代码。

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## 一、Linux USB 驱动开发基础

### 1.1 USB 协议简介
USB（Universal Serial Bus）是一种通用串行总线协议，支持多种设备类型（如 HID、Mass Storage、CDC、Audio 等）。Linux 内核通过 `usbcore` 模块提供对 USB 的支持。

### 1.2 Linux USB 架构
- **USB Core**：负责管理 USB 总线、设备枚举、端点分配等。
- **USB Class Drivers**：处理特定类型的设备（如 HID、CDC、UAS 等）。
- **Vendor-Specific Drivers**：针对自定义设备编写的驱动程序。

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## 二、开发环境准备

### 2.1 开发工具
- 编译器：`gcc`
- 内核源码：建议使用与目标系统一致的内核版本（如 5.x 或 6.x）
- 开发包：
  ```bash
  sudo apt install build-essential linux-headers-$(uname -r)
  ```

### 2.2 开发板（可选）
如果你在嵌入式平台开发，需要交叉编译工具链和对应内核配置。

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## 三、USB 驱动开发流程

### 3.1 编写驱动程序结构

#### 3.1.1 定义设备信息
使用 `struct usb_device_id` 来匹配设备：

```c
static const struct usb_device_id my_usb_device_id[] = {
    { USB_DEVICE(0x1234, 0x5678) }, // Vendor ID 和 Product ID
    {} // 终止符
};
MODULE_DEVICE_TABLE(usb, my_usb_device_id);
```

#### 3.1.2 注册驱动

```c
static struct usb_driver my_usb_driver = {
    .name = "my_usb_driver",
    .probe = my_probe,
    .disconnect = my_disconnect,
    .id_table = my_usb_device_id,
};
```

#### 3.1.3 实现 probe 函数

```c
static int my_probe(struct usb_interface *interface, const struct usb_device_id *id)
{
    struct usb_device *dev = interface_to_usbdev(interface);

printk(KERN_INFO "My USB device connected: %04x:%04x\n", le16_to_cpu(dev->descriptor.idVendor), le16_to_cpu(dev->descriptor.idProduct));

return 0;
}
```

#### 3.1.4 实现 disconnect 函数

```c
static void my_disconnect(struct usb_interface *interface)
{
    printk(KERN_INFO "My USB device disconnected\n");
}
```

### 3.2 加载驱动

将驱动编译为 `.ko` 文件并加载：

```bash
insmod my_usb_driver.ko
```

查看日志：

```bash
dmesg | tail -n 20
```

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## 四、USB 驱动开发常见任务

### 4.1 数据传输（控制/批量/中断/等时）

- **控制传输**：用于设备初始化、配置等（使用 `usb_control_msg()`）
- **批量传输**：用于大容量数据传输（如 U盘）
- **中断传输**：用于定时查询状态（如键盘）
- **等时传输**：用于实时音频/视频流

示例：发送控制命令

```c
int ret = usb_control_msg(
    dev,                          // usb_device *
    usb_sndctrlpipe(dev, 0),      // pipe
    USB_REQ_SET_CONFIGURATION,    // request
    USB_TYPE_STANDARD | USB_RECIP_DEVICE,
    1,                            // value
    0,                            // index
    NULL,                         // data
    0,                            // size
    1000                          // timeout
);
```

### 4.2 使用 `usb_bulk_msg()` 发送批量数据

```c
unsigned char buffer[64];
int actual_length;

ret = usb_bulk_msg(dev, usb_rcvbulkpipe(dev, 1), buffer, sizeof(buffer), &actual_length, 1000);
```

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## 五、调试与测试

### 5.1 查看设备信息

```bash
lsusb
```

### 5.2 查看 USB 接口信息

```bash
ls /sys/bus/usb/devices/
```

### 5.3 使用 `strace` 跟踪系统调用

```bash
strace -f -e trace=usb lsusb
```

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## 六、示例：一个简单的 USB 驱动

```c
#include <linux/module.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/usb.h>

static const struct usb_device_id my_usb_device_id[] = {
    { USB_DEVICE(0x1234, 0x5678) },
    {}
};
MODULE_DEVICE_TABLE(usb, my_usb_device_id);

static int my_probe(struct usb_interface *interface, const struct usb_device_id *id)
{
    printk(KERN_INFO "My USB Device is connected!\n");
    return 0;
}

static void my_disconnect(struct usb_interface *interface)
{
    printk(KERN_INFO "My USB Device is disconnected.\n");
}

static struct usb_driver my_usb_driver = {
    .name = "my_usb_driver",
    .probe = my_probe,
    .disconnect = my_disconnect,
    .id_table = my_usb_device_id,
};

module_usb_driver(my_usb_driver);

MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("Your Name");
MODULE_DESCRIPTION("A simple USB driver for custom devices.");
```

### 编译方式（假设文件名为 `my_usb_driver.c`）：

```bash
make -C /lib/modules/$(uname -r)/build M=$(pwd) modules
sudo insmod my_usb_driver.ko
```

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## 七、参考资料

- [Linux USB Subsystem Documentation](https://www.kernel.org/doc/html/latest/driver-api/usb.html)
- [Linux Device Drivers (O'Reilly)](https://lwn.net/Kernel/Index/)
- [USB Class Driver Examples](https://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/torvalds/linux.git/tree/drivers/usb)

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## 八、进阶内容

- 使用 `usbnet` 进行网络设备驱动开发
- 实现 HID 设备（如键盘、鼠标）
- 使用 `uvcvideo` 实现摄像头驱动
- 自定义 USB 协议通信（如 SPI over USB）

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如果你有具体的 USB 设备或需求（比如 HID、U盘、串口转换器等），我可以帮你定制开发方案或提供更详细的代码示例。欢迎继续提问！