第十三章USB驱动程序通用串行总线（USB）是主机和外围设备之间的一种连接。USB最初是为了替代许多不同的低速总线（包括并行、串行和键盘连接）而设计的，它以单一类型的总线连接各种不同类型的设备（注1）。USB的发展已经超越了这些低速的连接方式，它现在可以支持几乎所有可以连接到PC上的设备。最新的USB规范修订增加了理论上高达480Mbps的高速连接。从拓扑上来看，一个USB子系统并不是以总线的方式来布置的；它是一棵由几个点对点的连接构建而成的树。这些连接是连接设备和集线器（hub）的四线电缆（地线、电源线和两根信号线），这和以太网双绞线类似。USB主控制器（hostcontroller）负责询问每一个USB设备是否有数据需要发送。因为这种拓扑布局的原因，一个USB设备在没有主控制器要求的情况下是不能发送数据的。这种配置便于搭建一个非常简易的即插即用类型的系统，藉此，设备可以由主机自动地配置。USB总线在技术层面上是非常简单的，因为它是一个单主方式的实现，在此方式下，主机轮询各种不同的外围设备。尽管存在这种内在的局限性，USB总线有一些吸引人的特性，例如设备具有要求一个固定的数据传输带宽的能力，以可靠地支持视频和音频I/O。USB另一个重要的特性是它只担当设备和主控制器之间通信通道的角色，对它所发送的数据没有任何特殊的内容和结构上的要求（注2）。USB协议规范定义了一套任何特定类型的设备都可以遵循的标准。如果一个设备遵循该标准，就不需要一个特殊的驱动程序。这些不同的特定类型称为类（class），包括存储注1：本章部分内容基于Linux内核USB代码的内核文档，这些文档由内核的USB开发者编写，并且按照GPL条款发布。注2：实际上，还是存在一些结构，但通常被降低为满足某几个预定义类之一的通信需求：例如，键盘不需要分配带宽，而某些摄像头需要。324USB驱动程序325设备、键盘、鼠标、游戏杆、网络设备和调制解调器。对于不符合这些类的其他类型的设备，需要针对特定的设备编写一个特定于供货商的驱动程序。视频设备和USB到串口转换设备是一个很好的例子，对于它们没有已定义的标准，来自不同制造商的每一种不同的设备都需要对应的驱动程序。这些特性，加上设计上与生俱来的热插拔能力，使得USB成为一个便利和低成本的机制，它可以连接多个设备到计算机，而不需要关闭系统、打开机箱、拧螺丝钉和插拔电线。Linux内核支持两种主要类型的USB驱动程序：宿主（host）系统上的驱动程序和设备（device）上的驱动程序。从宿主的观点来看（一个普通的USB宿主是一个桌面计算机），宿主系统的USB驱动程序控制插入其中的USB设备，而USB设备的驱动程序控制该设备如何作为一个USB设备和主机通信。由于术语“USB设备驱动程序”（USBdevicedrivers）非常易于混淆，USB开发者创建了术语“USB器件驱动程序”（USBgadgetdrivers）来描述控制连接到计算机（不要忘了Linux还运行于很多小型嵌入式设备上）的USB设备的驱动程序。本章将详细介绍运行于桌面计算机上的USB系统是如何运作的。USB器件驱动程序此刻还未列入本书的内容范围。如图13-1所示，USB驱动程序存在于不同的内核子系统（块设备、网络设备、字符设备等等）和USB硬件控制器之中。USB核心为USB驱动程序提供了一个用于访问和控制USB硬件的接口，而不必考虑系统当前存在的各种不同类型的USB硬件控制器。用户VFS块网络字符TTY...层设备层设备层设备层层内核USB设备驱动程序USB核心USB主控制器硬件图13-1：USB驱动程序概观326第十三章USB设备基础USB设备是一个非常复杂的东西，官方USB文档（可由http://www.usb.org获取）中有详细的描述。幸运的是，Linux内核提供了一个称为USB核心（USBcore）的子系统来处理大部分的复杂性。本章描述驱动程序和USB核心之间的接口。图13-2展示了USB设备的构成，包括配置、接口和端点，以及USB驱动程序如何绑定到USB接口上，而不是整个USB设备。DeviceInterfaceUSBdriverConfigEndpointEndpointEndpointInterfaceUSBdriverEndpointEndpointEndpoint图13-2：USB设备概观端点USB通信最基本的形式是通过一个名为端点（endpoint）的东西。USB端点只能往一个方向传送数据，从主机到设备（称为输出端点）或者从设备到主机（