基于Linux的USB主/從設備之間的三種通信方式

　　隨著簡單易用的USB接口日益流行，在嵌入式系統(tǒng)中添加對USB接口的支持已成為大勢所趨。本文通過介紹Linux中支持USB的各種模塊和庫，分析了在Linux上利用USB實現(xiàn)高速串口和以太網(wǎng)連接等通信方式的具體方法。

　　通用串行總線(USB,Universal Serial Bus)是一種非常實用的通信接口，其應用日益廣泛。有三種方法可以使運行Linux操作系統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)支持USB接口，本文將對這三種方法逐一進行介紹。

　　基于Linux的USB設備與USB主機一般有以下三種通信方式：1．一些功能最完備結(jié)構(gòu)也最復雜的設備采用用戶定制內(nèi)核模塊來實現(xiàn)在標準USB總線上運行復雜的高級協(xié)議，而由USB主機上相應的用戶驅(qū)動程序和應用來完成連接。2．另一些基于Linux的USB設備則利用USB總線來實現(xiàn)與主機上所運行的某個應用的簡單的點對點串行連接。主機上的應用雖然利用了主操作系統(tǒng)所提供的USB編程接口，但表面看來卻似乎是在通過一個典型的串口進行通信。3．最后，還有些設備以主計算機作為網(wǎng)關，將USB設備連接到辦公局域網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng)上，從而使USB設備看起仿佛構(gòu)成了一個以太網(wǎng)。這種方法專業(yè)性較強，但通?？尚校侵鳈C驅(qū)動程序使該方法成為可能。

　　在這三種方法中，您可以根據(jù)預留給開發(fā)的時間長短和期望USB接口在嵌入式應用中所扮演的角色來決定選用那一種方法比較恰當。為了幫助您做出正確的選擇，下一節(jié)將向您介紹這三種方法分別應用于基于Linux的USB設備時的情況，但首先讓我們對USB接口做一個大致介紹。

USB概述

　　USB是一種方便快捷的接口，可用于為計算機工作站連接一些小配件。根據(jù)USB規(guī)范的定義，鼠標、鍵盤、音頻播放和錄音設備、照相機、大容量存儲設備以及許多其他設備均可以通過USB接口，以高達480Mbps的速度連接到一臺主計算機。協(xié)議定制者對USB上運行的這種復雜的主從式協(xié)議做出了仔細的說明，這就幫助保證了所有這些設備之間具備互操作性和兼容性。例如，該協(xié)議規(guī)定，USB設備只有在被詢問時才可以回答，并且USB主機會根據(jù)所連接的USB設備類型的不同，采用某些特定的格式，在某些特定的時間段從不同的設備獲取數(shù)據(jù)。

　　USB 設備和主機之間通常通過專用的總線控制芯片建立連接。在USB主機上，名為UHCI或OHCI等的控制芯片通過插卡形式加入主機或直接集成到工作站的主板上。在主機一端的總線控制驅(qū)動程序管理著主機控制芯片，它同時還跟蹤監(jiān)視著主機目前連接的是哪些USB設備，從而決定應如何與它們通信。

　　可用于連接照相機和鼠標之類USB設備的總線控制器有很多種。其中的一種就在一塊芯片上同時集成了USB接口以及另一端的串口、I2C接口或并口。USB控制器(包括主機上的和USB設備上的控制器)也可能集成到英特爾StrongARM或 Hitachi H8之類的微控制器中去。這些芯片及其外圍部件有點類似以太網(wǎng)和CAN控制器，不同的是他們用于連接USB設備，并運行USB協(xié)議。

　　很多人都知道Linux操作系統(tǒng)中包含了USB主機控制器的驅(qū)動程序，因而USB鍵盤、數(shù)碼相機以及其他一些USB設備都可以在一個運行Linux操作系統(tǒng)的桌面工作站上使用。但很少有人知道Linux中還包含了一組USB設備控制器的驅(qū)動程序，尤其是集成到StrongARM SA1110處理器中的控制器。有了這些控制器驅(qū)動程序，基于Linux的嵌入式系統(tǒng)就能利用USB接口來與主計算機(運行Linux或其他操作系統(tǒng))通信。大多數(shù)USB通信的實現(xiàn)過程都是雙端的。主機利用一個內(nèi)核模塊或驅(qū)動程序來與USB設備通信，而USB設備則通過其自身的驅(qū)動程序來與主機通信。根據(jù)主機和USB設備所采用的通信風格的不同，驅(qū)動程序可以很簡單明白，也可以很復雜，很具挑戰(zhàn)性。本文主要關注USB設備端的通信過程，但也在適當?shù)牡胤桨岁P于主機端通信過程實現(xiàn)的信息。

　　以下討論的技術應當引起讀者的注意。本文的目的是介紹如何在數(shù)碼相機和PDA等基于Linux的 USB設備上使用Linux。此處所指的USB設備是嚴格意義上的USB設備，即帶正方形連接器的完整的設備，而不是哪些連接器形狀為扁平矩形的設備。此外，USB連接的另一端(通常是一臺PC工作站)，應該是一臺USB主機。

　　關于USB信息包的格式和通信參數(shù)的詳細信息，見本文的參考文獻。

通過編寫內(nèi)核模塊添加USB接口

1. USB設備端通信過程

　　向一個基于Linux的設備中添加USB接口的第一種方法是編寫一個用戶定制的Linux內(nèi)核模塊，這也是可實現(xiàn)最完備功能的一種做法。采用這種方法時通常需要針對主機的操作系統(tǒng)(Windows, Linux等)開發(fā)相應的驅(qū)動程序。