基于Linux的USB主/从设备之间的三种通信方式
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2020-12-02
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基于基于Linux的的USB主主/从设备之间的三种通信方式从设备之间的三种通信方式
随着简单易用的USB接口日益流行，在嵌入式系统中添加对USB接口的支持已成为大势所趋。本文通过介绍
Linux中支持USB的各种模块和库，分析了在Linux上利用USB实现高速串口和以太网连接等通信方式的具体方
法。 通用串行总线(USB,Universal Serial Bus)是一种非常实用的通信接口，其应用日益广泛。有三种方法
可以使运行Linux操作系统的嵌入式系统支持USB接口，本文将对这三种方法逐一进行介绍。 基于Linux的
USB设备与USB主机一般有以下三种通信方式：1．一些功能最完备结构也最复杂的设备采用用户定制内核模块
来实现在标准USB总线上运行复杂的高级协议，而
随着简单易用的USB接口日益流行，在嵌入式系统中添加对USB接口的支持已成为大势所趋。本文通过介绍Linux中支持USB
的各种模块和库，分析了在Linux上利用USB实现高速串口和以太网连接等通信方式的具体方法。
通用串行总线(USB,Universal Serial Bus)是一种非常实用的通信接口，其应用日益广泛。有三种方法可以使运行Linux操
作系统的嵌入式系统支持USB接口，本文将对这三种方法逐一进行介绍。
基于Linux的USB设备与USB主机一般有以下三种通信方式：1．一些功能最完备结构也最复杂的设备采用用户定制内核
模块来实现在标准USB总线上运行复杂的高级协议，而由USB主机上相应的用户驱动程序和应用来完成连接。2．另一些基于
Linux的USB设备则利用USB总线来实现与主机上所运行的某个应用的简单的点对点串行连接。主机上的应用虽然利用了主操
作系统所提供的USB编程接口，但表面看来却似乎是在通过一个典型的串口进行通信。3．最后，还有些设备以主计算机作为
网关，将USB设备连接到办公局域网或互联网上，从而使USB设备看起仿佛构成了一个以太网。这种方法专业性较强，但通
常可行，是主机驱动程序使该方法成为可能。
在这三种方法中，您可以根据预留给开发的时间长短和期望USB接口在嵌入式应用中所扮演的角色来决定选用那一种方
法比较恰当。为了帮助您做出正确的选择，下一节将向您介绍这三种方法分别应用于基于Linux的USB设备时的情况，但首先
让我们对USB接口做一个大致介绍。
USB概述
USB是一种方便快捷的接口，可用于为计算机工作站连接一些小配件。根据USB规范的定义，鼠标、键盘、音频播放和
录音设备、照相机、大容量存储设备以及许多其他设备均可以通过USB接口，以高达480Mbps的速度连接到一台主计算机。
协议定制者对USB上运行的这种复杂的主从式协议做出了仔细的说明，这就帮助保证了所有这些设备之间具备互操作性和兼
容性。例如，该协议规定，USB设备只有在被询问时才可以回答，并且USB主机会根据所连接的USB设备类型的不同，采用
某些特定的格式，在某些特定的时间段从不同的设备获取数据。
USB 设备和主机之间通常通过专用的总线控制芯片建立连接。在USB主机上，名为UHCI或OHCI等的控制芯片通过插卡
形式加入主机或直接集成到工作站的主板上。在主机一端的总线控制驱动程序管理着主机控制芯片，它同时还跟踪监视着主机
目前连接的是哪些USB设备，从而决定应如何与它们通信。
可用于连接照相机和鼠标之类USB设备的总线控制器有很多种。其中的一种就在一块芯片上同时集成了USB接口以及另
一端的串口、I2C接口或并口。USB控制器(包括主机上的和USB设备上的控制器)也可能集成到英特尔StrongARM或 Hitachi
H8之类的微控制器中去。这些芯片及其外围部件有点类似以太网和CAN控制器，不同的是他们用于连接USB设备，并运行
USB协议。
很多人都知道Linux操作系统中包含了USB主机控制器的驱动程序，因而USB键盘、数码相机以及其他一些USB设备都可
以在一个运行Linux操作系统的桌面工作站上使用。但很少有人知道Linux中还包含了一组USB设备控制器的驱动程序，尤其是
集成到StrongARM SA1110处理器中的控制器。有了这些控制器驱动程序，基于Linux的嵌入式系统就能利用USB接口来与主
计算机(运行Linux或其他操作系统)通信。大多数USB通信的实现过程都是双端的。主机利用一个内核模块或驱动程序来与
USB设备通信，而USB设备则通过其自身的驱动程序来与主机通信。根据主机和USB设备所采用的通信风格的不同，驱动程
序可以很简单明白，也可以很复杂，很具挑战性。本文主要关注USB设备端的通信过程，但也在适当的地方包含了关于主机
端通信过程实现的信息。
以下讨论的技术应当引起读者的注意。本文的目的是介绍如何在数码相机和PDA等基于Linux的 USB设备上使用Linux。
此处所指的USB设备是严格意义上的USB设备，即带正方形连接器的完整的设备，而不是哪些连接器形状为扁平矩形的设
备。此外，USB连接的另一端(通常是一台PC工作站)，应该是一台USB主机。
关于USB信息包的格式和通信参数的详细信息，见本文的参考文献。
通过编写内核模块添加USB接口
1. USB设备端通信过程
向一个基于Linux的设备中添加USB接口的第一种方法是编写一个用户定制的Linux内核模块，这也是可实现最完备功能的
一种做法。采用这种方法时通常需要针对主机的操作系统(Windows, Linux等)开发相应的驱动程序。
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