Linux中的USB设备驱动开发

# 第一章：简介

USB设备驱动的作用和重要性

USB设备驱动是一种软件程序，它的作用是实现USB设备与计算机之间的通信和交互。USB（Universal Serial Bus，通用串行总线）是一种广泛应用于计算机和其他电子设备的外部设备接口标准，它可以连接各种类型的外部设备，如鼠标、键盘、打印机、摄像头等。USB设备驱动在Linux系统中具有重要的作用，它允许用户与USB设备进行数据交换、控制和配置。

Linux中USB驱动的基本概念和组成

在Linux系统中，USB设备驱动是内核模块的一部分，它负责管理和控制USB设备的功能。USB驱动的基本概念是设备和驱动的匹配，即每个USB设备都需要一个对应的驱动程序来管理。USB设备驱动由核心模块和相关的子模块组成。核心模块负责提供USB设备的通用功能和接口，而子模块则负责实现特定设备的驱动逻辑和处理。

USB设备驱动的框架

USB设备驱动的核心模块

USB设备驱动的核心模块是usbcore，它提供了统一的USB设备管理接口，包括设备的初始化、配置、数据传输和控制等功能。usbcore模块负责设备的插拔检测、驱动的加载和卸载，以及设备的事件处理和异常处理等。

USB设备和驱动的数据传输流程

USB设备和驱动之间的数据传输流程包括以下几个步骤：

1. 设备初始化：USB设备在插入时，驱动程序会对设备进行初始化，包括分配内存、配置寄存器、设置中断和DMA等。

2. 数据传输：USB设备和驱动之间通过USB总线进行数据传输，可以是批量传输、中断传输或同步传输。驱动程序负责向设备发送请求，设备根据请求进行数据的读取或写入。

3. 控制和配置：USB设备和驱动之间通过控制管道进行控制和配置。驱动程序发送控制命令到设备，设备根据命令进行功能的配置和状态的控制。

USB设备驱动的注册和注销

在Linux系统中，USB设备驱动需要进行注册和注销，以便系统能够正确地识别并加载驱动程序。驱动的注册是通过在内核中定义特定的数据结构并初始化，然后调用相应的注册函数来完成的。注册函数将驱动程序注册到核心模块中，使其能够与USB设备进行匹配和加载。驱动的注销是通过调用注销函数来完成的，它会将驱动程序从核心模块中注销并释放相应的资源。

#### 2. USB设备驱动的框架

USB设备驱动的框架包括USB设备驱动的核心模块、USB设备和驱动的数据传输流程以及USB设备驱动的注册和注销。

##### 2.1 USB设备驱动的核心模块

USB设备驱动的核心模块是Linux内核中的usbcore模块，它负责管理USB的核心功能，包括设备的插拔、配置和数据传输等。在内核中，usbcore模块作为一个总线驱动存在，为系统中的所有USB设备提供驱动支持。

##### 2.2 USB设备和驱动的数据传输流程

USB设备和驱动的数据传输流程包含以下几个步骤：
1. 设备初始化：USB设备驱动在初始化时会设置设备的参数、分配内存和初始化数据结构等。
2. 配置设备：通过配置描述符，驱动程序会对设备的配置进行匹配和选择，并将所需的配置参数发送给设备。
3. 控制传输：驱动程序通过控制传输来与设备进行交互，包括发送控制命令和接收设备的响应数据。
4. 批量传输：批量传输用于传输大量的数据，通常分为输入传输和输出传输两种方式。
5. 中断传输：中断传输用于传输实时的数据，例如鼠标的移动事件。
6. 同步传输：同步传输用于传输音视频数据等需要保持同步性的数据。

##### 2.3 USB设备驱动的注册和注销

USB设备驱动的注册和注销是指将驱动程序注册到系统中，并在设备插拔或驱动不需要时进行注销。
- 注册：驱动程序通过调用usb_register函数进行注册，注册成功后，驱动会被系统自动加载和管理。
- 注销：驱动程序通过调用usb_deregister函数进行注销，注销后，驱动会从系统中移除。

### 3. USB设备驱动的开发环境准备

在进行USB设备驱动开发之前，我们需要先准备好合适的开发环境。这包括确保我们的Linux内核版本满足要求，以及获取所需的工具和软件。

#### 3.1 Linux内核版本要求

USB设备驱动开发通常需要对Linux内核进行修改和编译，因此我们需要确保使用的Linux内核版本符合要求。一般来说，较新的内核版本通常具备更好的USB子系统支持和更新的驱动程序。因此，建议使用最新的稳定内核版本。

#### 3.2 开发所需工具和软件

为了进行USB设备驱动的开发，我们需要安装一些必要的工具和软件。以下是常用的开发工具和软件：

- **GNU工具链**：用于编译Linux内核和驱动程序的工具集，包括gcc、make等。
- **Linux内核源代码**：包含了Linux内核的完整源代码，我们需要从中获取USB驱动开发所需的头文件和库文件。
- **编辑器**：可以选择喜欢的代码编辑器，如Vim、Emacs、Atom等。
- **调试工具**：例如GDB用于调试驱动程序。
- **交叉编译工具链**（可选）：如果我们的开发主机和目标设备使用不同的架构，我们可能需要使用交叉编译工具链来编译驱动程序。

在准备好这些工具和软件之后，我们就可以开始进行USB设备驱动的开发了。

## 4. USB设备驱动的编写流程

在本章中，我们将介绍USB设备驱动的编写流程。主要包括设备描述和驱动框架的设计、驱动程序的初始化和资源管理、设备通信接口和特性配置等方面。

### 4.1 设备描述和驱动框架的设计

在开始编写USB设备驱动之前，我们首先需要了解设备的描述方式和驱动程序的框架设计。USB设备通常有一组功能描述符，用于描述设备的属性和接口信息。在驱动程序中，我们需要定义一个设备描述结构体，并在其初始化过程中，完成设备描述符的初始化。

class DeviceDescriptor:
    def __init__(self, vendor_id, product_id):
        self.vendor_id = ve