USB设备在Linux系统中的识别和加载过程

一、前言

不知道大家在学习Linux的时候有没有过这样的疑问，为什么我们通过同一个接口接入的不同USB设备，我们的电脑都可以识别到呢？为什么Linux电脑不会把鼠标识别成键盘呢？带着这些疑问我们一起来看一下USB的识别和加载过程。

二、USB设备的识别过程

当我们插入一个USB设备时，Linux内核会自动检测并加载相应的驱动程序，使设备能够正常工作。下面我们将深入探讨USB设备在Linux系统中的识别和加载过程。

2.1 USB控制器检测设备插入

USB控制器是一个硬件设备，用于控制USB总线上的设备。当你插入一个USB设备时，USB控制器会检测到电压变化并发出一个中断信号。这个中断信号被送到处理器上的USB控制器中断线上，告诉Linux内核有新的USB设备插入。

2.2 内核检测并加载驱动程序

当内核接收到USB控制器发出的中断信号时，它会调用USB子系统中的usbcore模块，该模块负责检测新的USB设备并加载相应的驱动程序。usbcore模块首先会检测设备的描述符，这个描述符包括设备的厂商ID、产品ID、类别码等信息。

如果已经存在一个匹配的驱动程序，那么usbcore模块就会加载这个驱动程序。如果没有匹配的驱动程序，则会尝试加载一个通用的驱动程序，这个驱动程序能够支持大多数USB设备。

2.3 驱动程序向USB子系统注册

一旦正确的驱动程序被加载，它会向USB子系统注册并告诉它自己可以处理哪些设备。这一步通常包括向内核注册USB设备的类别（如存储设备、输入设备等）。

这个过程包括了向内核注册一个新的USB设备驱动程序，并在该驱动程序中指定设备的厂商ID、产品ID等信息。一旦驱动程序被成功注册，USB子系统就可以将设备与正确的驱动程序进行匹配。

2.4 USB子系统创建设备节点

USB子系统接下来会为设备创建一个设备节点。设备节点是一个特殊的文件，在/dev目录下，它允许用户空间程序与设备通信。设备节点的名称通常是由内核根据设备的厂商ID、产品ID和序列号等信息动态生成的。

设备节点的创建是通过udev守护进程实现的，这个守护进程会监视系统中的设备插拔事件，并自动创建或删除相应的设备节点。创建设备节点之后，内核就可以将设备的访问权限分配给用户空间程序。

2.5 驱动程序初始化设备

驱动程序被通知有新的设备插入后，它会对设备进行初始化。初始化可能包括设置设备的传输速率、分配内存缓冲区等。设备初始化完成后，驱动程序会向USB子系统报告设备已准备好。

2.6 用户空间程序打开设备：

最后，用户空间程序可以打开设备节点并与设备通信。设备节点的权限通常被设置为只允许root用户或在相关组中的用户访问。用户空间程序可以使用系统调用（如read和write）向设备发送命令和接收数据。

通过这个过程，Linux系统可以自动识别设备并加载相应的驱动程序，使设备可以正常工作。这也是为什么当我们插入一个USB设备时，我们不需要手动安装任何驱动程序或执行任何其他操作就可以直接开始使用设备。

当你插入一个USB设备时，Linux系统会自动执行上述步骤，从而自动识别设备并加载相应的驱动程序，使设备可以正常工作。下面我们从代码的层面来分析一下该过程。

三、代码实现讲解

下面我通过一些示例代码，讲解一下USB设备在Linux系统中的识别和加载过程。这些示例代码只是讲解一下原理，实际代码将会更加复杂。

3.1 检测设备插入

当USB设备插入到系统中时，会产生一个中断信号，这个信号会被处理器上的USB控制器中断线捕获，并由内核的USB子系统处理。下面是一个示例代码，演示如何检测USB设备的插入和拔出事件：

 

#include 
#include 

int main() {
    libusb_device **devs;
    libusb_context *ctx = NULL;

    int r = libusb_init(&ctx);
    if (r < 0) {
        printf("Failed to initialize libusb
");
        return 1;
    }

    // 扫描USB总线并列出所有连接的设备
    ssize_t cnt = libusb_get_device_list(ctx, &devs);
    if (cnt < 0) {
        printf("Failed to get device list
");
        return 1;
    }

    // 遍历设备列表，检测插入和拔出事件
    for (int i = 0; i < cnt; i++) {
        libusb_device *dev = devs[i];

        struct libusb_device_descriptor desc;
        r = libusb_get_device_descriptor(dev, &desc);
        if (r < 0) {
            printf("Failed to get device descriptor
");
            continue;
        }

        printf("Vendor ID: 0x%04x, Product ID: 0x%04x
", desc.idVendor, desc.idProduct);
    }

    // 释放设备列表
    libusb_free_device_list(devs, 1);

    // 退出libusb
    libusb_exit(ctx);

    return 0;
}

 

这段代码使用了libusb库，这是一个C语言库，用于访问USB设备。它提供了一个用于初始化USB子系统和扫描USB总线的API，以及用于访问USB设备的API。

3.2 加载驱动程序

一旦检测到设备插入，USB子系统会尝试加载一个适当的驱动程序。下面是一个示例驱动程序代码，它负责支持USB存储设备（例如U盘）：

 

#include 
#include 

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

static int storage_probe(struct usb_interface *interface, const struct usb_device_id *id) {
    // 初始化设备并注册
    return 0;
}

static void storage_disconnect(struct usb_interface *interface) {
    // 释放设备
}

static struct usb_driver storage_driver = {
    .name = "usb-storage",
    .probe = storage_probe,
    .disconnect = storage_disconnect,
    .id_table = storage_devices,
};

module_usb_driver(storage_driver);

 

这段代码演示了一个简单的驱动程序，它可以处理USB存储设备的插入和拔出事件。在加载驱动程序时，内核将搜索已加载的驱动程序列表，以查找与设备匹配的驱动程序。

如果找到了匹配的驱动程序，内核将使用该驱动程序来管理该设备。如果没有找到匹配的驱动程序，内核将不会加载任何驱动程序。

3.3 设备注册

一旦找到了与设备匹配的驱动程序，驱动程序将被加载并启动，它将尝试对设备进行初始化，并将其注册到内核。下面是一个示例代码，演示如何初始化USB存储设备并将其注册到内核：

 

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

    // 获取设备描述符
    struct usb_device_descriptor desc;
    int r = usb_get_descriptor(dev, USB_DT_DEVICE, 0, &desc, sizeof(desc));
    if (r < 0) {
        printk(KERN_ERR "Failed to get device descriptor
");
        return r;
    }

    // 打印设备信息
    printk(KERN_INFO "USB storage device detected: Vendor ID=0x%04x, Product ID=0x%04x
", desc.idVendor, desc.idProduct);

    // 初始化设备并注册到内核
    // ...

    return 0;
}

 

上面这段示例代码使用了内核的usb_get_descriptor()函数来获取设备描述符，并使用printk()函数将设备信息记录到内核日志中。

当驱动程序将调用设备初始化函数并将其注册到内核，但是由于设备初始化和注册的过程因设备而异，因此这里省略了这部分代码。

3.4 设备访问

一旦设备已经被注册到内核，用户空间程序就可以通过设备节点来访问设备。在Linux系统中，设备节点是一种特殊的文件，可以通过标准文件I/O函数来访问。下面是一个示例代码，演示如何打开并读取USB存储设备：

 

#include 
#include 
#include 

int main() {
    // 打开设备节点
    int fd = open("/dev/sdb", O_RDONLY);
    if (fd < 0) {
        printf("Failed to open device
");
        return 1;
    }

    // 读取设备数据
    char buf[1024];
    ssize_t n = read(fd, buf, sizeof(buf));
    if (n < 0) {
        printf("Failed to read device
");
        close(fd);
        return 1;
    }

    // 关闭设备节点
    close(fd);

    return 0;
}

 

这段代码使用了标准的文件I/O函数来访问设备节点。在这个例子中，设备节点的路径是/dev/sdb，这是一个典型的USB存储设备节点。接下来，程序将设备节点作为文件打开，并使用read()函数从设备中读取数据。一旦完成数据的读取，程序将关闭设备节点并退出。

四、结语

Linux系统识别USB设备的过程可以分为四个步骤：设备连接、驱动匹配、设备注册和设备访问。当用户将USB设备插入计算机时，内核将通过USB总线来检测设备的插入事件，并尝试查找与设备匹配的驱动程序。一旦找到了匹配的驱动程序，驱动程序将被加载并启动，它将尝试对设备进行初始化，并将其注册到内核。一旦设备已经被注册到内核，用户空间程序就可以通过设备节点来访问设备。

在Linux系统中，驱动程序是非常重要的组成部分，它们负责管理和控制系统中的各种设备。对于USB设备而言，内核提供了一个通用的USB驱动框架，它可以自动检测和加载驱动程序，并为用户提供了一个简单而强大的USB设备访问接口。通过深入理解USB驱动程序的工作原理，我们可以更好地理解Linux系统中设备管理的内部机制，这对于开发和调试设备驱动程序非常有帮助。

审核编辑：汤梓红