Linux 平台上的usb驱动开发，主要有内核驱动的开发和基于libusb的无驱设计。

对于内核驱动的大部分设备，诸如带usb接口的hid设备，linux本身已经自带了相关的驱动，我们只要操作设备文件便可以完成对设备大部分的操作，而另外一些设备，诸如自己设计的硬件产品，这些驱动就需要我们驱动工程师开发出相关的驱动了。内核驱动有它的优点，然而内核驱动在某些情况下会遇到如下的一些问题：


1 当使用我们产品的客户有2.4内核的平台，同时也有2.6内核的平台，我们要设计的驱动是要兼容两个平台的，就连makefile 我们都要写两个。


2 当我们要把linux移植到嵌入平台上，你会发现原先linux自带的驱动移过去还挺大的，我的内核当然是越小越好拉，这样有必要么。这还不是最郁闷的地方，如果嵌入平台是客户的，客户要购买你的产品，你突然发现客户设备里的系统和你的环境不一样，它没有你要的驱动了，你的程序运行不了，你会先想：“没关系，我写个内核驱动加载一下不就行了“。却发现客户连insmod加载模块的工具都没移植，那时你就看看老天，说声我怎么那么倒霉啊，客户可不想你动他花了n时间移植的内核哦


3 花了些功夫写了个新产品的驱动，挺有成就感啊，代码质量也是相当的有水准啊。正当你沉醉在你的代码中时，客服不断的邮件来了，“客户需要2.6.5内核的驱动，config文件我已经发你了” “客户需要双核的 2.6.18-smp 的驱动” “客户的平台是自己定制的是2.6.12-xxx “   你恨不得把驱动的源代码给客户，这样省得编译了。你的一部分工作时间编译内核，定制驱动


有问题产生必然会有想办法解决问题的人， libusb的出现给我们带来了某些方便，即节约了我们的时间，也降低了公司的成本。 所以在一些情况下，就可以考虑使用libusb的无驱设计了。


    下面我们就来详细讨论一下libusb, 并以写一个hid设备的驱动来讲解如何运用libusb,至于文章中涉及的usb协议的知识，限于篇幅，就不详细讲解了，相关的可自行查看usb相关协议。


一 libusb 介绍


   libusb 设计了一系列的外部API 为应用程序所调用，通过这些API应用程序可以操作硬件，从libusb的源代码可以看出，这些API 调用了内核的底层接口，和kernel driver中所用到的函数所实现的功能差不多，只是libusb更加接近USB 规范。使得libusb的使用也比开发内核驱动相对容易的多。


Libusb 的编译安装请查看Readme,这里不做详解


二 libusb 的外部接口


2.1 初始化设备接口


这些接口也可以称为核心函数，它们主要用来初始化并寻找相关设备。


usb_init


函数定义： void usb_init(void);


从函数名称可以看出这个函数是用来初始化相关数据的，这个函数大家只要记住必须调用就行了，而且是一开始就要调用的.


usb_find_busses


函数定义： int usb_find_busses(void);


寻找系统上的usb总线，任何usb设备都通过usb总线和计算机总线通信。进而和其他设备通信。此函数返回总线数。


usb_find_devices


函数定义： int usb_find_devices(void);


寻找总线上的usb设备，这个函数必要在调用usb_find_busses()后使用。以上的三个函数都是一开始就要用到的，此函数返回设备数量。


usb_get_busses


函数定义： struct usb_bus *usb_get_busses(void);


这个函数返回总线的列表，在高一些的版本中已经用不到了，这在下面的实例中会有讲解


2.2 操作设备接口


    usb_open


函数定义： usb_dev_handle *usb_open(struct *usb_device dev);


打开要使用的设备，在对硬件进行操作前必须要调用usb_open 来打开设备，这里大家看到有两个结构体 usb_dev_handle 和 usb_device 是我们在开发中经常碰到的，有必要把它们的结构看一看。在libusb 中的usb.h和usbi.h中有定义。


这里我们不妨理解为返回的 usb_dev_handle 指针是指向设备的句柄，而行参里输入就是需要打开的设备。


   usb_close


   函数定义： int usb_close(usb_dev_handle *dev);


   与usb_open相对应，关闭设备，是必须调用的, 返回0成功，<0 失败。


   usb_set_configuration


   函数定义： int usb_set_configuration(usb_dev_handle *dev, int configuration);


   设置当前设备使用的configuration，参数configuration 是你要使用的configurtation descriptoes中的bConfigurationValue, 返回0成功，<0失败( 一个设备可能包含多个configuration,比如同时支持高速和低速的设备就有对应的两个configuration,详细可查看usb标准)


   usb_set_altinterface


   函数定义： int usb_set_altinterface(usb_dev_handle *dev, int alternate);


   和名字的意思一样，此函数设置当前设备配置的interface descriptor，参数alternate是指interface descriptor中的bAlternateSetting。返回0成功，<0失败


   usb_resetep


   函数定义： int usb_resetep(usb_dev_handle *dev, unsigned int ep);


   复位指定的endpoint，参数ep 是指bEndpointAddress,。这个函数不经常用，被下面介绍的usb_clear_halt函数所替代。


   usb_clear_halt


   函数定义： int usb_clear_halt (usb_dev_handle *dev, unsigned int ep);


   复位指定的endpoint，参数ep 是指bEndpointAddress。这个函数用来替代usb_resetep


   usb_reset


   函数定义： int usb_reset(usb_dev_handle *dev);


   这个函数现在基本不怎么用，不过这里我也讲一下，和名字所起的意思一样，这个函数reset设备，因为重启设备后还是要重新打开设备，所以用usb_close就已经可以满足要求了。


   usb_claim_interface


   函数定义： int usb_claim_interface(usb_dev_handle *dev, int interface);


   注册与操作系统通信的接口，这个函数必须被调用，因为只有注册接口，才能做相应的操作。


Interface 指 bInterfaceNumber. (下面介绍的usb_release_interface 与之相对应，也是必须调用的函数)


   usb_release_interface


   函数定义： int usb_release_interface(usb_dev_handle *dev, int interface);


   注销被usb_claim_interface函数调用后的接口，释放资源，和usb_claim_interface对应使用。


   2.3 控制传输接口


   usb_control_msg


   函数定义：int usb_control_msg(usb_dev_handle *dev, int requesttype, int request, int value, int index, char *bytes, int size, int timeout);


   从默认的管道发送和接受控制数据


   usb_get_string


   函数定义： int usb_get_string(usb_dev_handle *dev, int index, int langid, char *buf, size_t buflen);


   usb_get_string_simple


函数定义： int usb_get_string_simple(usb_dev_handle *dev, int index, char *buf, size_t buflen);


   usb_get_descriptor


   函数定义： int usb_get_descriptor(usb_dev_handle *dev, unsigned char type, unsigned char index, void *buf, int size);


   usb_get_descriptor_by_endpoint


   函数定义： int usb_get_descriptor_by_endpoint(usb_dev_handle *dev, int ep, unsigned char type, unsigned char index, void *buf, int size);


   2.4 批传输接口


   usb_bulk_write


   函数定义： int usb_bulk_write(usb_dev_handle *dev, int ep, char *bytes, int size, int timeout);


    usb_interrupt_read


函数定义： int usb_interrupt_read(usb_dev_handle *dev, int ep, char *bytes, int size, int timeout);


2.5 中断传输接口


usb_bulk_write


函数定义： int usb_bulk_write(usb_dev_handle *dev, int ep, char *bytes, int size, int timeout);


usb_interrupt_read


函数定义： int usb_interrupt_read(usb_dev_handle *dev, int ep, char *bytes, int size, int timeout);


基本上libusb所经常用到的函数就有这些了，和usb协议确实很接近吧。下面我们实例在介绍一个应用。


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Libusb库的使用


使用libusb之前你的linux系统必须装有usb文件系统，这里还介绍了使用hiddev设备文件来访问设备，目的在于不仅可以比较出usb的易用性，还提供了一个转化成libusb驱动的案例。
3.1 find设备
任何驱动第一步首先是寻找到要操作的设备，我们先来看看HID驱动是怎样寻找到设备的。我们假设寻找设备的函数Device_Find(注：代码只是为了方便解说，不保证代码的健全)
/* 我们简单看一下使用hid驱动寻找设备的实现，然后在看一下libusb是如何寻找设备的 */
int Device_Find()
{
    char dir_str[100];   /* 这个变量我们用来保存设备文件的目录路径 */
    char hiddev[100];    /* 这个变量用来保存设备文件的全路径 */
DIR dir;              
/* 申请的字符串数组清空，这个编程习惯要养成 */
memset (dir_str, 0 , sizeof(dir_str));
memset (hiddev, 0 , sizeof(hiddev));
    /* hiddev 的设备描述符不在/dev/usb/hid下面，就在/dev/usb 下面
这里我们使用opendir函数来检验目录的有效性
打开目录返回的值保存在变量dir里，dir前面有声明
*/
dir=opendir("/dev/usb/hid");
    if(dir){
        /* 程序运行到这里，说明存在 /dev/usb/hid 路径的目录 */
        sprintf(dir_str,"/dev/usb/hid/");
        closedir(dir);
    }else{
        /* 如果不存在hid目录，那么设备文件就在/dev/usb下 */
        sprintf(dir_str,"/dev/usb/");
    }
    /* DEVICE_MINOR 是指设备数，HID一般是16个 */
for(i = 0; i < DEVICE_MINOR; i++) {
    /* 获得全路径的设备文件名，一般hid设备文件名是hiddev0 到 hiddev16 */
        sprintf(hiddev, "%shiddev%d", dir_str,i);
       /* 打开设备文件,获得文件句柄 */
       fd = open(hiddev, O_RDWR);
       if(fd > 0) {
           /* 操作设备获得设备信息 */
          ioctl(fd, HIDIOCGDEVINFO, &info);
   
              /* VENDOR_ID 和 PRODUCT_ID 是标识usb设备厂家和产品ID,驱动都需要这两个参数来寻找设备,到此我们寻找到了设备 */
           if(info.vendor== VENDOR_ID && info.product== PRODUCT_ID) {
                /* 这里添加设备的初始化代码 */
                  
               device_num++;   /* 找到的设备数 */
           }
           close(fd);
       }
    }
    return device_num;         /* 返回寻找的设备数量 */
}
我们再来看libusb是如何来寻找和初始化设备
int Device_Find()
{
struct usb_bus             *busses;
    int                           device_num = 0;
    device_num = 0;       /* 记录设备数量 */
   
    usb_init();            /* 初始化 */
    usb_find_busses();   /* 寻找系统上的usb总线 */
    usb_find_devices(); /* 寻找usb总线上的usb设备 */
   
    /* 获得系统总线链表的句柄 */
busses = usb_get_busses();
    struct usb_bus       *bus;
    /* 遍历总线 */
    for (bus = busses; bus; bus = bus->next) {
        struct usb_device *dev;
        /* 遍历总线上的设备 */
        for (dev = bus->devices; dev; dev = dev->next) {
           /* 寻找到相关设备， */
if(dev->descriptor.idVendor==VENDOR_ID&& dev->descriptor.idProduct == PRODUCT_ID) {
                /* 这里添加设备的初始化代码 */
                  
               device_num++;   /* 找到的设备数 */
}              
        }       
    }
    return device_num;        /* 返回设备数量 */
}
注：在新版本的libusb中，usb_get_busses就可以不用了 ，这个函数是返回系统上的usb总线链表句柄
这里我们直接用usb_busses变量，这个变量在usb.h中被定义为外部变量
所以可以直接写成这样：
struct usb_bus    *bus;
        for (bus = usb_busses; bus; bus = bus->next) {
               struct usb_device *dev;
        for (dev = bus->devices; dev; dev = dev->next) {
           /* 这里添加设备的初始化代码 */
        }
}
3.2 打开设备
假设我们定义的打开设备的函数名是device_open,
/* 使用hid驱动打开设备 */
int Device_Open()
{
    int handle;
    /* 传统HID驱动调用,通过open打开设备文件就可 */
handle = open(“hiddev0”, O_RDONLY);
}
/* 使用libusb打开驱动 */
int Device_Open()
{
/* LIBUSB 驱动打开设备，这里写的是伪代码，不保证代码有用 */
struct usb_device*    udev;
usb_dev_handle*        device_handle;
/* 当找到设备后，通过usb_open打开设备，这里的函数就相当open 函数 */
device_handle = usb_open(udev);
}
3.3 读写设备和操作设备
假设我们的设备使用控制传输方式，至于批处理传输和中断传输限于篇幅这里不介绍
我们这里定义三个函数，Device_Write, Device_Read, Device_Report
Device_Report 功能发送接收函数
Device_Write 功能写数据
Device_Read   功能读数据
Device_Write和Device_Read调用Device_Report发送写的信息和读的信息，开发者根据发送的命令协议来设计，我们这里只简单实现发送数据的函数。
假设我们要给设备发送72字节的数据，头8个字节是报告头，是我们定义的和设备相关的规则，后64位是数据。
HID驱动的实现(这里只是用代码来有助理解，代码是伪代码)
int Device_Report(int fd, unsigned char *buffer72)
{
int       ret; /* 保存ioctl函数的返回值 */
int      index;
    unsigned char send_data[72]; /* 发送的数据 */
unsigned char recv_data[72]; /* 接收的数据 */
    struct hiddev_usage_ref uref; /* hid驱动定义的数据包 */
    struct hiddev_report_info rinfo; /* hid驱动定义的
    memset(send_data, 0, sizeof(send_data));
memset(recv_data, 0, sizeof(recv_data));
    memcpy(send_data, buffer72, 72);
   /* 这在发送数据之前必须调用的，初始化设备 */
    ret = ioctl(fd, HIDIOCINITREPORT, 0);
    if( ret !=0) {
        return NOT_OPENED_DEVICE;/* NOT_OPENED_DEVICE 属于自己定义宏 */
    }
    /* HID设备每次传输一个字节的数据包 */
    for(index = 0; index < 72; index++) {
        /* 设置发送数据的状态 */
    uref.report_type = HID_REPORT_TYPE_FEATURE;
    uref.report_id = HID_REPORT_ID_FIRST;
    uref.usage_index = index;
    uref.field_index = 0;
    uref.value = send_data[index];
    ioctl(fd, HIDIOCGUCODE, &uref);
    ret=ioctl(fd, HIDIOCSUSAGE, &uref);
    if(ret != 0 ){
           return UNKNOWN_ERROR;
    }
}
/* 发送数据 */
rinfo.report_type = HID_REPORT_TYPE_FEATURE;
rinfo.report_id = HID_REPORT_ID_FIRST;
rinfo.num_fields = 1;
ret=ioctl(fd, HIDIOCSREPORT, &rinfo);   /* 发送数据 */
if(ret != 0) {
        return WRITE_REPORT;
}
/* 接受数据 */
ret = ioctl(fd, HIDIOCINITREPORT, 0);
for(index = 0; index < 72; index++) {
    uref.report_type = HID_REPORT_TYPE_FEATURE;
    uref.report_id = HID_REPORT_ID_FIRST;
    uref.usage_index = index;
    uref.field_index = 0;
    ioctl(fd, HIDIOCGUCODE, &uref);
    ret = ioctl(fd, HIDIOCGUSAGE, &uref);
    if(ret != 0 ) {
        return UNKNOWN_ERROR;
    }
    recv_data[index] = uref.value;
}
memcpy(buffer72, recv_data, 72);
return SUCCESS;
}
libusb驱动的实现
int Device_Report(int fd, unsigned char *buffer72)
{
    /* 定义设备句柄 */
    usb_dev_handle* Device_handle;
   
    /* save the data of send and receive */
    unsigned char   send_data[72];
    unsigned char   recv_data[72];
   
    int              send_len;
    int             recv_len;
   
    /* 数据置空 */
    memset(send_data, 0 , sizeof(send_data));
    memset(recv_data, 0 , sizeof(recv_data));
   
    /* 这里的g_list是全局的数据变量，里面可以存储相关设备的所需信息，当然我们 也可以从函数形参中传输进来，设备的信息在打开设备时初始化，我们将在后面的总结中详细描述一下 */
    Device_handle = (usb_dev_handle*)(g_list[fd].device_handle);
    if (Device_handle == NULL) {
        return NOT_OPENED_DEVICE;
}
/* 这个函数前面已经说过，在操作设备前是必须调用的, 0是指用默认的设备 */
usb_claim_interface(Device_handle, 0);
/* 发送数据，所用到的宏定义在usb.h可以找到，我列出来大家看一下
        #define USB_ENDPOINT_OUT       0x00
       #define USB_TYPE_CLASS     (0x01 << 5)
       #define USB_RECIP_INTERFACE 0x01
      
       #define HID_REPORT_SET       0x09 */
send_len = usb_control_msg(Device_handle,
USB_ENDPOINT_OUT + USB_TYPE_CLASS + USB_RECIP_INTERFACE,
                               HID_REPORT_SET,
                               0x300,
                               0,
                               send_data, 72, USB_TIMEOUT);
/* 发送数据有错误 */
if (send_len < 0) {
        return WRITE_REPORT;
}
if (send_len != 72) {
        return send_len;
}
/* 接受数据
       #define USB_ENDPOINT_IN         0x80
       #define USB_TYPE_CLASS          (0x01 << 5)
       #define USB_RECIP_INTERFACE        0x01
       #define HID_REPORT_GET          0x01
    */
recv_len = usb_control_msg(Device_handle,
USB_ENDPOINT_IN + USB_TYPE_CLASS + USB_RECIP_INTERFACE,
                               HID_REPORT_GET,
                               0x300,
                                 0,
                               recv_data, 72, USB_TIMEOUT);
                                                   
    if (recv_len < 0) {
        printf("failed to retrieve report from USB device!\n");
        return READ_REPORT;
    }
   
    if (recv_len != 72) {
        return recv_len;
    }
   
   
    /* 和usb_claim_interface对应 */
    usb_release_interface(RY2_handle, 0);
    memcpy(buffer72, recv_data, 72);
return SUCCESS;
}
3.4 关闭设备
假设我们定义的关闭设备的函数名是Device_Close()
/* 使用hid驱动关闭设备 */
int Device_Close()
{
    int handle;
   
handle = open(“hiddev0”, O_RDONLY);
/* 传统HID驱动调用,通过close()设备文件就可 */
close( handle );
}
/* 使用libusb关闭驱动 */
int Device_Close()
{
/* LIBUSB 驱动打开设备，这里写的是伪代码，不保证代码有用 */
struct usb_device*    udev;
usb_dev_handle*        device_handle;
device_handle = usb_open(udev);
/* libusb库使用usb_close关闭程序 */
usb_close(device_handle);
}
libusb的驱动框架
前面我们看了些主要的libusb函数的使用，这里我们把前面的内容归纳下：
一般的驱动应该都包含如下接口：
Device_Find(); /* 寻找设备接口 */
Device_Open(); /* 打开设备接口 */
Device_Write(); /* 写设备接口 */
Device_Read(); /* 读设备接口 */
Device_Close(); /* 关闭设备接口 */
具体代码如下：
#include <usb.h>
/* usb.h这个头文件是要包括的，里面包含了必须要用到的数据结构 */
/* 我们将一个设备的属性用一个结构体来概括 */
typedef struct
{
    struct usb_device*    udev;
    usb_dev_handle*        device_handle;
    /* 这里可以添加设备的其他属性，这里只列出每个设备要用到的属性 */
} device_descript;
/* 用来设置传输数据的时间延迟 */
#define USB_TIMEOUT     10000
/* 厂家ID 和产品 ID */
#define VENDOR_ID    0xffff    
#define PRODUCT_ID   0xffff
/* 这里定义数组来保存设备的相关属性，DEVICE_MINOR可以设置能够同时操作的设备数量，用全局变量的目的在于方便保存属性 */
#define DEVICE_MINOR 16
int     g_num;
device_descript g_list[ DEVICE_MINOR ];
/* 我们写个设备先找到设备，并把相关信息保存在 g_list 中 */
int Device_Find()
{
    struct usb_bus       *bus;
    struct usb_device *dev;
    g_num = 0;
    usb_find_busses();
    usb_find_devices();
   
    /* 寻找设备 */
    for (bus = usb_busses; bus; bus = bus->next) {
        for (dev = bus->devices; dev; dev = dev->next) {
if(dev->descriptor.idVendor==VENDOR_ID&& dev->descriptor.idProduct == PRODUCT_ID) {
                    /* 保存设备信息 */
                    if (g_num < DEVICE_MINOR) {
                     g_list[g_num].udev = dev;  
                     g_num ++;
                     }              
            }       
        }
    }
   
    return g_num;
}
/* 找到设备后，我们根据信息打开设备 */
int Device_Open()
{
    /* 根据情况打开你所需要操作的设备，这里我们仅列出伪代码 */
    if(g_list[g_num].udev != NULL) {
        g_list[g_num].device_handle = usb_open(g_list[g_num].udev);
}
}
/* 下面就是操作设备的函数了，我们就不列出来拉，大家可以参考上面的介绍 */
int DeviceWite(int handle)
{
    /* 填写相关代码，具体查看设备协议*/
}
int DeviceOpen(int handle)
{
    /* 填写相关代码，具体查看设备协议 */
}
/* 最后不要忘记关闭设备 */
void Device_close(int handle)
{
    /* 调用usb_close */
}
小结

   到此，使用libusb进行驱动开发介绍完了，通过对库所提供的API的使用可以体会到libusb的易用性。

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