Linux下的硬件驱动——USB设备（上）（驱动配置部分）

级别: 初级

赵明 , 联想软件设计中心嵌入式研发处系统设计工程师

2003 年 7 月 01 日

USB设备越来越多，而Linux在硬件配置上仍然没有做到完全即插即用，对于Linux怎样配置和使 用他们，也越来越成为困扰我们的一大问题。本文着力从Linux系统下设备驱动的架构，去阐述怎样去使用和配置以及怎样编制USB设备驱动。对于一般用 户，可以使我们明晰Linux设备驱动方式，为更好地配置和使用USB设备提供了方便；而对于希望开发Linux系统下USB设备驱动的程序员，提供了初 步学习USB驱动架构的机会。

前言

USB是英文"Universal Serial Bus"的缩写，意为"通用串行总线"。是由Compaq(康柏)、DEC、IBM、Intel、NEC、微软以及Northern Telecom（北方电讯）等公司于1994年11月共同提出的，主要目的就是为了解决接口标准太多的弊端。USB使用一个4针插头作为标准插头，并通过 这个标准接头，采用菊花瓣形式把所有外设连接起来，它采用串行方式传输数据，目前最大数据传输率为12Mbps, 支持多数据流和多个设备并行操作，允许外设热插拔。

目前USB接口虽然只发展了2代（USB1.0/1.1，USB2.0），但是USB综合了一个多平台标准的所有优点 -- 包括降低成本，增加兼容性，可连接大量的外部设备，融合先进的功能和品质。使其逐步成为PC接口标准，进入了高速发展期。

那么对于使用Linux系统，正确支持和配置常见的USB设备，就是其使用必不可少的关键一步。

 

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相关技术基础

模块（驱动程序）

模块（module）是在内核空间运行的程序，实际上是一种目标对象文件，没有链接，不能独立运行，但是可以装载到系统中 作为内核的一部分运行，从而可以动态扩充内核的功能。模块最主要的用处就是用来实现设备驱动程序。

Linux下对于一个硬件的驱动，可以有两种方式：直接加载到内核代码中，启动内核时就会驱动此硬件设备。另一种就是以模 块方式，编译生成一个.o文件。当应用程序需要时再加载进内核空间运行。所以我们所说的一个硬件的驱动程序，通常指的就是一个驱动模块。

设备文件

对于一个设备，它可以在/dev下面存在一个对应的逻辑设备节点，这个节点以文件的形式存在，但它不是普通意义上的文件， 它是设备文件，更确切的说，它是设备节点。这个节点是通过mknod命令建立的，其中指定了主设备号和次设备号。主设备号表明了某一类设备，一般对应着确 定的驱动程序；次设备号一般是区分不同属性，例如不同的使用方法，不同的位置，不同的操作。这个设备号是从/proc/devices文件中获得的，所以 一般是先有驱动程序在内核中，才有设备节点在目录中。这个设备号（特指主设备号）的主要作用，就是声明设备所使用的驱动程序。驱动程序和设备号是一一对应 的，当你打开一个设备文件时，操作系统就已经知道这个设备所对应的驱动程序。

SCSI 设备

SCSI是有别于IDE的一个计算机标准接口。现在大部分平板式扫描仪、CD-R刻录机、MO光磁盘机等渐渐趋向使用 SCSI接口，加之SCSI又能提供一个高速传送通道，所以，接触到SCSI设备的用户会越来越多。Linux支持很多种的SCSI设备，例如：SCSI 硬盘、SCSI光驱、SCSI磁带机。更重要的是，Linux提供了IDE设备对SCSI的模拟（ide-scsi.o模块），我们通常会就把IDE光驱 模拟为SCSI光驱进行访问。因为在Linux中很多软件都只能操作SCSI光驱。例如大多数刻录软件、一些媒体播放软件。通常我们的USB存储设备，也 模拟为SCSI硬盘而进行访问。

Linux硬件驱动架构

对于一个硬件，Linux是这样来进行驱动的：首先，我们必须提供一个.o的驱动模块文件（这里我们只说明模块方式，其实 内核方式是类似的）。我们要使用这个驱动程序，首先要加载运行它（insmod *.o）。这样驱动就会根据自己的类型（字符设备类型或块设备类型，例如鼠标就是字符设备而硬盘就是块设备）向系统注册，注册成功系统会反馈一个主设备 号，这个主设备号就是系统对它的唯一标识（例如硬盘块设备在/proc/devices中显示的主设备号为3 ，我们用ls -l /dev/had看到的主设备就肯定是3）。驱动就是根据此主设备号来创建一个一般放置在/dev目录下的设备文件（mknod命令用来创建它，它必须用 主设备号这个参数）。在我们要访问此硬件时，就可以对设备文件通过open、read、write等命令进行。而驱动就会接收到相应的read、 write操作而根据自己的模块中的相应函数进行了。

其中还有几个比较有关系的东西：一个是/lib/modules/2.4.XX目录，它下面就是针对当前内核版本的模块。 只要你的模块依赖关系正确（可以通过depmod设置），你就可以通过modprobe 命令加载而不需要知道具体模块文件位置。 另一个是/etc/modules.conf文件，它定义了一些常用设备的别名。系统就可以在需要此设备支持时，正确寻找驱动模块。例如alias eth0 e100，就代表第一块网卡的驱动模块为e100.o。他们的关系图如下：

 

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配置USB设备

内核中配置.

要启用 Linux USB 支持，首先进入"USB support"节并启用"Support for USB"选项（对应模块为usbcore.o）。尽管这个步骤相当直观明了，但接下来的 Linux USB 设置步骤则会让人感到糊涂。特别地，现在需要选择用于系统的正确 USB 主控制器驱动程序。选项是"EHCI" （对应模块为ehci-hcd.o）、"UHCI" （对应模块为usb-uhci.o）、"UHCI (alternate driver)"和"OHCI" （对应模块为usb-ohci.o）。这是许多人对 Linux 的 USB 开始感到困惑的地方。

要理解"EHCI"及其同类是什么，首先要知道每块支持插入 USB 设备的主板或 PCI 卡都需要有 USB 主控制器芯片组。这个特别的芯片组与插入系统的 USB 设备进行相互操作，并负责处理允许 USB 设备与系统其它部分通信所必需的所有低层次细节。

Linux USB 驱动程序有三种不同的 USB 主控制器选项是因为在主板和 PCI 卡上有三种不同类型的 USB 芯片。"EHCI"驱动程序设计成为实现新的高速 USB 2.0 协议的芯片提供支持。"OHCI"驱动程序用来为非 PC 系统上的（以及带有 SiS 和 ALi 芯片组的 PC 主板上的）USB 芯片提供支持。"UHCI"驱动程序用来为大多数其它 PC 主板（包括 Intel 和 Via）上的 USB 实现提供支持。只需选择与希望启用的 USB 支持的类型对应的"?HCI"驱动程序即可。如有疑惑，为保险起见，可以启用"EHCI"、"UHCI" （两者中任选一种，它们之间没有明显的区别）和"OHCI"。（ 赵明注：根据文档，EHCI已经包含了UHCI和OHCI，但目前就我个人的测 试，单独加EHCI是不行的，通常我的做法是根据主板类型加载UHCI或OHCI后，再加载EHCI这样才可以支持USB2.0设备 ）。

启用了"USB support"和适当的"?HCI"USB 主控制器驱动程序后，使 USB 启动并运行只需再进行几个步骤。应该启用"Preliminary USB device filesystem"，然后确保启用所有特定于将与 Linux 一起使用的实际 USB 外围设备的驱动程序。例如，为了启用对 USB 游戏控制器的支持，我启用了"USB Human Interface Device (full HID) support"。我还启用了主"Input core support" 节下的"Input core support"和"Joystick support"。

一旦用新的已启用 USB 的内核重新引导后，若/proc/bus/usb下没有相应USB设备信息，应输入以下命令将 USB 设备文件系统手动挂装到 /proc/bus/usb：

# mount -t usbdevfs none /proc/bus/usb 

 

为了在系统引导时自动挂装 USB 设备文件系统，请将下面一行添加到 /etc/fstab 中的 /proc 挂装行之后：

none /proc/bus/usb usbdevfs defaults 0 0 

 

模块的配置方法.

在很多时候，我们的USB设备驱动并不包含在内核中。其实我们只要根据它所需要使用的模块，逐一加载。就可以使它启作用。

首先要确保在内核编译时以模块方式选择了相应支持。这样我们就应该可以在/lib/modules/2.4.XX目录看到 相应.o文件。在加载模块时，我们只需要运行modprobe xxx.o就可以了（modprobe主要加载系统已经通过depmod登记过的模块，insmod一般是针对具体.o文件进行加载）

对应USB设备下面一些模块是关键的。

 

usbcore.o要支持usb所需要的最基础模块usb-uhci.o（已经提过）usb-ohci.o（已经提过）uhci.o另一个uhci驱动程序，我也不知道有什么用，一般不要加载，会死机的ehci-hcd.o（已经提过 usb2.0）hid.oUSB人机界面设备，像鼠标呀、键盘呀都需要usb-storage.oUSB存储设备，U盘等用到

相关模块

 

ide-disk.oIDE硬盘ide-scsi.o把IDE设备模拟SCSI接口scsi_mod.oSCSI支持

注意kernel config其中一项：

Probe all LUNs on each SCSI device

 

最好选上，要不某些同时支持多个口的读卡器只能显示一个。若模块方式就要带参数安装或提前在/etc /modules.conf中加入以下项，来支持多个LUN。

add options scsi_mod max_scsi_luns=9 

 

 

sd_mod.oSCSI硬盘sr_mod.oSCSI光盘sg.oSCSI通用支持（在某些探测U盘、SCSI探测中会用到）

常见USB设备及其配置

在Linux 2.4的内核中已经支持不下20种设备。它支持几乎所有的通用设备如键盘、鼠标、modem、打印机等，并不断地添加厂商新的设备象数码相机、MP3、网 卡等。下面就是几个最常见设备的介绍和使用方法：

USB鼠标：

键盘和鼠标属于低速的输入设备，对于已经为用户认可的PS/2接口，USB键盘和USB鼠标似乎并没有太多更优越的地方。 现在的大部分鼠标采用了PS/2接口，不过USB接口的鼠标也越来越多，两者相比，各有优势：一般来说，USB的鼠标接口的带宽大于PS/2鼠标，也就是 说在同样的时间内，USB鼠标扫描次数就要多于PS/2鼠标，这样在定位上USB鼠标就更为精确；同时USB接口鼠标的默认采样率也比较高，达到 125HZ，而PS/2接口的鼠标仅有40HZ（Windows 9x/Me）或是60HZ（Windows NT/2000）。

对于USB设备你当然必须先插入相应的USB控制器模块：usb-uhci.o或usb-ohci.o

modprobe usb-uhci

 

USB鼠标为了使其正常工作，您必须先插入模块usbmouse.o和mousedev.o

modprobe usbmousemodprobe mousedev

 

若你把HID input layer支持和input core 支持也作为模块方式安装，那么启动hid模块和input模块也是必要的。

modprobe hidmodprobe input

 

USB键盘：

一般的，我们现在使用的键盘大多是PS/2的，USB键盘还比较少见，但是下来的发展，键盘将向USB接口靠拢。使用 USB键盘基本上没有太多的要求，只需在主板的BIOS设定对USB键盘的支持，就可以在各系统中完全无障碍的使用，而且更可以真正做到在即插即用和热插 拔使用,并能提供两个USB连接埠：让您可以轻易地直接将具有USB接头的装置接在您的键盘上，而非计算机的后面。

同样你当然必须先插入相应的USB控制器模块：usb-uhci.o或usb-ohci.o

modprobe usb-uhci

 

然后您还必须插入键盘模块usbkbd.o，以及keybdev.o，这样usb键盘才能够正常工作。此时，运行的系统命 令：

modprobe usbkbdmodprobe keybdev

 

同样若你把HID input layer支持和input core 支持也作为模块方式安装，那么启动hid模块和input模块也是必要的。

U盘和USB读卡器：

数码存储设备现在对我们来说已经是相当普遍的了。CF卡、SD卡、Memory Stick等存储卡已经遍及我们的身边，通常，他们的读卡器都是USB接口的。另外，很多MP3、数码相机也都是USB接口和计算机进行数据传递。更我们 的U盘、USB硬盘，作为移动存储设备，已经成为我们的必须装备。

在Linux下这些设备通常都是以一种叫做usb-storage的方式进行驱动。要使用他们必须加载此模块

modprobe usb-storage

 

当然，usbcore.o 和usb-uhci.o或usb-ohci也肯定是不可缺少的。另外，若你系统中SCSI支持也是模块方式，那么下面的模块也要加载

modprobe scsi_modmodprobe sd_mod

 

在加载完这些模块后，我们插入U盘或存储卡，就会发现系统中多了一个SCSI硬盘，通过正确地mount它，就可以使用了 （SCSI硬盘一般为/dev/sd?，可参照文章后面的常见问题解答）。

mount /dev/sda1 /mnt

 

Linux支持的其他USB设备。

MODEM--（比较常见） 
网络设备 
摄像头--（比较常见）例如ov511.o 
联机线--可以让 你的两台电脑用USB线实现网络功能。usbnet.o 
显示器--（我没见过） 
游戏杆 
电视盒--（比较常见） 
手 写板--（比较常见） 
扫描仪--（比较常见） 
刻录机--（比较常见） 
打印机--（比较常见）

注意： 上面所说的每个驱动模块，并不是都要手动加载，有很多系统会在启动或你的应用需 要时自动加载的，写明这些模块，是便于你在不能够使用USB设备时，可以自行检查。只要用lsmod确保以上模块已经被系统加载，你的设备就应该可以正常 工作了。当然注意有些模块已经以内核方式在kernel启动时存在了（这些模块文件在/lib/modules/2.4.XX中是找不到的）。

 

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最常遇见的USB问 题

1. 有USB设备的系统安装完redhat 7.3启动死机问题

   有USB设备，当你刚装完redhat 7.3第一次启动时，总会死掉。主要原因是Linux在安装时探测到有usb-uhci和ehci-hcd两个控制器，但在启动时，加载完usb- uhci再加载ehci-hcd就会有冲突。分析认为redhat7.3系统内核在支持USB2.0标准上存在问题。在其他版本的Linux中均不存在此 问题。

   解决办法：在lilo或grub启动时用命令行传递参数init=/sbin/init。这样在启动后就不运行其 他服务而直接启动shell。然后运行 
   mount -o remount,rw / 使/ 可写，init直接启动的系统默认只mount /为只读 
   然后vi /etc/modules.config文件 
   删除alias usb-controller1 ehci-hcd一行。或前面加#注释掉 
   然后mount -o remount,ro / 使/ 只读，避免直接关机破坏文件系统 
   然 后就可以按Ctrl-Alt-Delete直接重启了 
   或许，你有更简单的办法：换USB键盘和鼠标为PS2接口，启动后修改/etc /modules.config文件。

2. 我们已经知道U盘在Linux中会模拟为SCSI设备去访问，可怎么知道它对应那个SCSI设 备呢？

   方法1：推测。通常你第一次插入一个SCSI设备，它就是sda，第二个就是sdb以此类推。你启动Linux插 入一个U盘，就试试sda，换了一个就可能是sdb。这里注意两个特例：1） 你用的是联想U盘，它可能存在两个设备区（一个用于加密或启动电脑），这样就可能一次用掉两个sda、sdb，换个U盘就是sdc、sdd。2） 联想数码电脑中，可能已经有了六合一读卡器。它同样也是USB存储设备。它会占掉一个或两个SCSI设备号。

   方法2：看信息。其实，只要你提前把usb-storage.o、scsi_mod.o、sd_mod.o模块加 载（直接在kernel中也可以）了，在你插入和拔出U盘时，系统会自动打出信息如下：

   SCSI device sda: 60928 512-byte hdwr sectors ( 31 MB )sda: Write Protect is on

   
   

   根据此信息，你就知道它在sda上了。当然，可能你的系统信息级别比较高，上述信息可能没有打出，这时候你只要 tail /var/log/messages就可以看到了。

   方法3：同样，cat /proc/partitions也可以看到分区信息，其中sd?就是U盘所对应的了。若根本没有sd设备，就要检查你的SCSI模块和usb- storage模块是否正确加载了。

3. 在使用U盘或存储卡时，我该mount /dev/sda还是/dev/sda1呢？

   这是一个历史遗留问题。存储卡最初尺寸很小，很多厂商在使用时，就直接使用存储，不含有分区表信息。而随着存储卡 尺寸的不断扩大，它也就引入了类似硬盘分区的概念。例如/dev/hda你可以分成主分区hda1、hda2扩展分区hda3，然后把扩展分区hda3又 分为逻辑分区hda5、hda6、hda7等。这样，通常的U盘就被分成一个分区sda1，类似把硬盘整个分区分成一个主分区hda1。实际上，我们完全 可以通过fdisk /dev/sda对存储卡进行完全类似硬盘的分区方式分成sda1、sda2甚至逻辑分区sda5、sda6。实际上，对USB硬盘目前你的确需要这样， 因为它通常都是多少G的容量。而且通常，它里面就是笔记本硬盘。

   一个好玩的问题。你在Linux下用fdisk /dev/sda 对U盘进行了多分区，这时候到windows下，你会发现怎么找，怎么格式化，U盘都只能找到第一个分区大小尺寸，而且使用看不出任何问题。这主要是 windows驱动对U盘都只支持一个分区的缘故。你是不是可以利用它来进行一些文件的隐藏和保护？你是不是可以和某些人没玩过Linux的人开些玩笑： 你的U盘容量变小了J。

   现在较多的数码设备也和windows一样，是把所有U盘容量分为一个，所以在对待U盘的时候，通常你mount 的是sda1。但对于某些特殊的数码设备格式化的U盘或存储卡（目前我发现的是一款联想的支持模拟USB软盘的U盘和我的一个数码相机），你就要 mount /dev/sda。因为它根本就没分区表（若mount /dev/sda1通常的效果是死掉）。其实，这些信息，只要你注意了/proc/partitions文件，都应该注意到的。

4. 每次插入U盘，都要寻找对应设备文件名，都要手动mount，我能不能做到象windows那 样插入就可以使用呢。

   当然可以，不过你需要做一些工作。我这里只提供一些信息帮助你去尝试完成设置：Linux内核提供了一种叫 hotplug支持的东西，它可以让你系统在PCI设备、USB等设备插拔时做一些事情。而automount 功能可以使你的软驱、光盘等设备的分区自动挂载和自动卸载。你甚至可以在KDE桌面中创建相应的图标，方便你操作。具体设置方法就要你自己去尝试了。反正 我使用Linux已经麻木了，不就是敲一行命令嘛。