基于Linux的USB主/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。

　　一旦在设备中实现了用户定制的内核模块，就可以使该设备完成相当复杂的功能，例如仿真一个文件系统，从而允许嵌入式应用将其USB主机当作一个远程存储设备。除此以外，采用这种方法之后，设备还可以具备存储转发（store-and-forward）的功能，因而能够在与USB主机的连接建立之前对来自嵌入式应用的数据流进行缓冲。