看一下USB的識別和加載過程

一、前言

不知道大家在學習Linux的時候有沒有過這樣的疑問，為什么我們通過同一個接口接入的不同USB設備，我們的電腦都可以識別到呢？為什么Linux電腦不會把鼠標識別成鍵盤呢？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設備的識別過程

當我們插入一個USB設備時，Linux內核會自動檢測并加載相應的驅動程序，使設備能夠正常工作。下面我們將深入探討USB設備在Linux系統(tǒng)中的識別和加載過程。

2.1 USB控制器檢測設備插入

USB控制器是一個硬件設備，用于控制USB總線上的設備。當你插入一個USB設備時，USB控制器會檢測到電壓變化并發(fā)出一個中斷信號。這個中斷信號被送到處理器上的USB控制器中斷線上，告訴Linux內核有新的USB設備插入。

2.2 內核檢測并加載驅動程序

當內核接收到USB控制器發(fā)出的中斷信號時，它會調用USB子系統(tǒng)中的usbcore模塊，該模塊負責檢測新的USB設備并加載相應的驅動程序。usbcore模塊首先會檢測設備的描述符，這個描述符包括設備的廠商ID、產品ID、類別碼等信息。

如果已經存在一個匹配的驅動程序，那么usbcore模塊就會加載這個驅動程序。如果沒有匹配的驅動程序，則會嘗試加載一個通用的驅動程序，這個驅動程序能夠支持大多數(shù)USB設備。

2.3 驅動程序向USB子系統(tǒng)注冊

一旦正確的驅動程序被加載，它會向USB子系統(tǒng)注冊并告訴它自己可以處理哪些設備。這一步通常包括向內核注冊USB設備的類別（如存儲設備、輸入設備等）。

這個過程包括了向內核注冊一個新的USB設備驅動程序，并在該驅動程序中指定設備的廠商ID、產品ID等信息。一旦驅動程序被成功注冊，USB子系統(tǒng)就可以將設備與正確的驅動程序進行匹配。

2.4 USB子系統(tǒng)創(chuàng)建設備節(jié)點

USB子系統(tǒng)接下來會為設備創(chuàng)建一個設備節(jié)點。設備節(jié)點是一個特殊的文件，在/dev目錄下，它允許用戶空間程序與設備通信。設備節(jié)點的名稱通常是由內核根據(jù)設備的廠商ID、產品ID和序列號等信息動態(tài)生成的。

設備節(jié)點的創(chuàng)建是通過udev守護進程實現(xiàn)的，這個守護進程會監(jiān)視系統(tǒng)中的設備插拔事件，并自動創(chuàng)建或刪除相應的設備節(jié)點。創(chuàng)建設備節(jié)點之后，內核就可以將設備的訪問權限分配給用戶空間程序。

2.5 驅動程序初始化設備

驅動程序被通知有新的設備插入后，它會對設備進行初始化。初始化可能包括設置設備的傳輸速率、分配內存緩沖區(qū)等。設備初始化完成后，驅動程序會向USB子系統(tǒng)報告設備已準備好。

2.6 用戶空間程序打開設備：

最后，用戶空間程序可以打開設備節(jié)點并與設備通信。設備節(jié)點的權限通常被設置為只允許root用戶或在相關組中的用戶訪問。用戶空間程序可以使用系統(tǒng)調用（如read和write）向設備發(fā)送命令和接收數(shù)據(jù)。

通過這個過程，Linux系統(tǒng)可以自動識別設備并加載相應的驅動程序，使設備可以正常工作。這也是為什么當我們插入一個USB設備時，我們不需要手動安裝任何驅動程序或執(zhí)行任何其他操作就可以直接開始使用設備。

當你插入一個USB設備時，Linux系統(tǒng)會自動執(zhí)行上述步驟，從而自動識別設備并加載相應的驅動程序，使設備可以正常工作。下面我們從代碼的層面來分析一下該過程。

三、代碼實現(xiàn)講解

下面我通過一些示例代碼，講解一下USB設備在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，實際代碼將會更加復雜。

3.1 檢測設備插入

當USB設備插入到系統(tǒng)中時，會產生一個中斷信號，這個信號會被處理器上的USB控制器中斷線捕獲，并由內核的USB子系統(tǒng)處理。下面是一個示例代碼，演示如何檢測USB設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C語言庫，用于訪問USB設備。它提供了一個用于初始化USB子系統(tǒng)和掃描USB總線的API，以及用于訪問USB設備的API。

	3.2 加載驅動程序

	一旦檢測到設備插入，USB子系統(tǒng)會嘗試加載一個適當?shù)尿寗映绦颉Ｏ旅媸且粋€示例驅動程序代碼，它負責支持USB存儲設備（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){
//初始化設備并注冊
return0;
}

staticvoidstorage_disconnect(structusb_interface*interface){
//釋放設備
}

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簡單的驅動程序，它可以處理USB存儲設備的插入和拔出事件。在加載驅動程序時，內核將搜索已加載的驅動程序列表，以查找與設備匹配的驅動程序。

	如果找到了匹配的驅動程序，內核將使用該驅動程序來管理該設備。如果沒有找到匹配的驅動程序，內核將不會加載任何驅動程序。

	3.3 設備注冊

	一旦找到了與設備匹配的驅動程序，驅動程序將被加載并啟動，它將嘗試對設備進行初始化，并將其注冊到內核。下面是一個示例代碼，演示如何初始化USB存儲設備并將其注冊到內核：

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

//獲取設備描述符
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核的usb_get_descriptor()函數(shù)來獲取設備描述符，并使用printk()函數(shù)將設備信息記錄到內核日志中。

	當驅動程序將調用設備初始化函數(shù)并將其注冊到內核，但是由于設備初始化和注冊的過程因設備而異，因此這里省略了這部分代碼。

	3.4 設備訪問

	一旦設備已經被注冊到內核，用戶空間程序就可以通過設備節(jié)點來訪問設備。在Linux系統(tǒng)中，設備節(jié)點是一種特殊的文件，可以通過標準文件I/O函數(shù)來訪問。下面是一個示例代碼，演示如何打開并讀取USB存儲設備：

	
#include
#include
#include

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

	

	這段代碼使用了標準的文件I/O函數(shù)來訪問設備節(jié)點。在這個例子中，設備節(jié)點的路徑是/dev/sdb，這是一個典型的USB存儲設備節(jié)點。接下來，程序將設備節(jié)點作為文件打開，并使用read()函數(shù)從設備中讀取數(shù)據(jù)。一旦完成數(shù)據(jù)的讀取，程序將關閉設備節(jié)點并退出。

	四、結語

	Linux系統(tǒng)識別USB設備的過程可以分為四個步驟：設備連接、驅動匹配、設備注冊和設備訪問。當用戶將USB設備插入計算機時，內核將通過USB總線來檢測設備的插入事件，并嘗試查找與設備匹配的驅動程序。一旦找到了匹配的驅動程序，驅動程序將被加載并啟動，它將嘗試對設備進行初始化，并將其注冊到內核。一旦設備已經被注冊到內核，用戶空間程序就可以通過設備節(jié)點來訪問設備。

	在Linux系統(tǒng)中，驅動程序是非常重要的組成部分，它們負責管理和控制系統(tǒng)中的各種設備。對于USB設備而言，內核提供了一個通用的USB驅動框架，它可以自動檢測和加載驅動程序，并為用戶提供了一個簡單而強大的USB設備訪問接口。通過深入理解USB驅動程序的工作原理，我們可以更好地理解Linux系統(tǒng)中設備管理的內部機制，這對于開發(fā)和調試設備驅動程序非常有幫助。

	




	審核編輯：劉清