Linux USB指南

Linux USB指南

2008年07月08日 星期二 10:48

1. 简介

USB的意思是通用串行总线(Universal Serial Bus)，是一种扩展接口标准，主要用于不同计算机或其周边设备之间的通信。一些大众化的USB设备有键盘、鼠标、U盘、数码相机、CD和DVD外接读写器、打印机等。

目前USB标准有两种版本：USB 1.1 与USB 2.0。由于USB的前一版总是向后兼容的，所以USB 2.0兼容USB 1.1。最新的USB设备通常都是支持USB 2.0。USB 2.0支持的最大数据传输速率为480 MBps与60 MBps，这分别是USB 2.0与其所兼容的USB 1.1的数据传输速率。USB还具有支持设备热插拔的优点，这意味着不必重启系统即可使用USB设备。

在进行内核有关USB配置之前，先来了解一下它的一些知识细节。如果没有多少时间或者不想阅读这一节，可直接阅读一节。

USB系统有一个主控制器(host controller)，一些集线器(hub)（不是网络工具中的那个“集线器”）以及一个 根集线器(root hub)， 根集线器所能连接的USB设备的上限是127个。主控制器只是USB设备与操作系统之间的硬件接口。目前有两种主控制器接口(HCI, Host Controller Interface)：Compaq的OHCI (Open HCI)，Intel的UHCI (Universal HCI)和EHCI (Enhanced HCI)。OHCI/UHCI是针对USB 1.1的工业标准，而EHCI是针对USB 2.0的。

硬件商向程序员提供开发接口，即所谓的HCD (Host Controller Device)。通过HCD，USB设备可以与系统软件进行交互，看下面的图示会更易于理解这一点。

代码 1.1: USB一般体系结构

(软件层还有设备驱动之类的成份构成，但出于简化问题的目的，在此略去)

    + ----    硬件    ----   + ----    软件    ---- +
    |                        |                      |
    | [USB Dev] -+-> {EHCI} -+--->  ( EHCD )        |
    |            |           |                      |  用户
    |            `-> {UHCI} -+--->  ( UHCD )        |
    |                        |                      |
    + ----    硬件    ----   + ----    软件    ---- +

USB设备可以有单独的驱动程序，也可以使用系统提供的驱动程序，这依赖于设备的类别。也就是说，如果一个USB设备属于某种类别，那么其他属于该 类别的设备就可以使用同一种设备驱动。在USB设备类别中有一些是USB HID (Human Interface Device)类别，它包括：输入设备，如键盘、鼠标；USB块存储设备，比如U盘、数码相机、音频播放器等；USB CDC (Communication Devices Class，通信设备类别)，比如USB口的modem或其他类似设备。

要想弄清楚你的机器是否支持USB 2.0是很简单的，可以使用lspci来查看。

注意: lspci工具是sys-apps/pciutils包的一部分，如果未有安装该软件包，请emerge pciutils。要注意的是，必须是root用户才有权限执行lspci命令。

代码 1.2: lspci的输出

(系统是兼容USB 1.1的，即UHCI接口)

# lspci -v | grep USB
0000:00:04.2 USB Controller: Intel Corp. 82371AB/EB/MB PIIX4 USB (rev 01) (prog-if 00 [UHCI])

(A system that is USB 2.0 compliant, note the EHCI and UHCI)

00:1d.0 USB Controller: Intel Corp. 82801DB USB (Hub #1) (rev 01) (prog-if 00 [UHCI])
00:1d.1 USB Controller: Intel Corp. 82801DB USB (Hub #2) (rev 01) (prog-if 00 [UHCI])
00:1d.2 USB Controller: Intel Corp. 82801DB USB (Hub #3) (rev 01) (prog-if 00 [UHCI])
00:1d.7 USB Controller: Intel Corp. 82801DB USB EHCI Controller (rev 01) (prog-if 20 [EHCI])

使用lspci，可以搞清楚系统是否支持USB 2.0，这在配置内核编译选项时有用。

2. 配置内核

注意: 自从2005.0发行版本之后，Gentoo Linux就使用2.6内核作为默认内核。除非你特别指明使用2.4内核，gentoo-sources面向大部分计算机系统提供2.6内核。请检查你的内核版本，然后进行相应地配置。

首先emerge你所要使用的内核源码，这里所使用的是gentoo-sources。关于Portage中其它的内核源码说明，请参考。

代码 2.1: 获取内核源码

# emerge gentoo-sources

现在开始配置内核。

代码 2.2: 准备配置

# cd /usr/src/linux
# make menuconfig

注意: 上例假定/usr/src/linux是一个符号连接，指向你要使用的内核源码目录。在进行内核配置之前，你要保证有这样的连接。

现在来配置2.6内核中用于启用USB设备支持的一些选项。如果你使用的是2.4内核，请按照进行。

注意: 本 文档示例只针对一些基本的USB支持，当然这也是大多数人所需要的，譬如USB块存储设备（数码相机与U盘驱动）。若对一些特殊的USB设备进行配置，请 参考设备的用户手册，或者在网上搜索一下内核是否已经实现了对这些设备的支持，再或者使用你所能找到的对应驱动程序。请注意，本文为了简化问题，所有的示 例配置都是编译到内核中去的，如果你希望使用内核的模块机制，在确认要编译哪些模块时，相应地调整一下内核配置文件。

代码 2.3: 2.6 kernel的make menuconfig选项

Device Drivers  --->
  SCSI device support  --->

(尽管在选择USB Mass Storage时会自动启用SCSI支持，也必需启用disk支持)
---   SCSI support type (disk, tape, CD-ROM)
<*>   SCSI disk support

(然后返回上一层，进入USB support)
USB support  --->

(这是根集线器，对于USB支持而言是必须的。如果你想把它编译成模块，那么它就叫做usbcore)
<*> Support for Host-side USB

(启用这一选项可以让你在/porc/bus/usb中查看USB设备，推荐启用)
 [*]   USB device filesystem

(至少要选择一个HCD。如果你不能确定，就都选上好了)
--- USB Host Controller Drivers
<*> EHCI HCD (USB 2.0) support
< > OHCI HCD support
<*> UHCI HCD (most Intel and VIA) support

(向下移动一下，就可以看到CDC和mass storage的配置选项了)
< > USB Modem (CDC ACM) support
<*> USB Printer support
<*> USB Mass Storage support

(然后是HID设置。如果你有USB接口的键盘、鼠标、游戏手柄等输入设备，必须要启用这些选项)
--- USB Input Devices
<*> USB Human Interface Device (full HID) support
 [*]   HID input layer support

(如果你有USB网卡，比如RTL8150，应当开启这个选项)
USB Network Adapters  --->
    <*> USB RTL8150 based ethernet device support (EXPERIMENTAL)

(如果你有串口-USB转接器，譬如Prolific 2303，你需要开启这一选项)
USB Serial Converter support  --->
    <*> USB Serial Converter support
    <*> USB Prolific 2303 Single Port Serial Driver (NEW)

内核选项已经配置完毕，（重新）编译内核，使用新内核重启机器就可以实现对USB设备的支持了。现在，可以阅读一节，查看USB设备是否正常工作。

现在来配置一下在2.6内核中用于启用USB设备支持的一些选项。如果你使用的是2.6内核，请按照进行。

注意: 本 文档示例只针对一些基本的USB支持，当然这也是大多数人所需要的，譬如USB块存储设备（数码相机与U盘驱动）。若对一些特殊的USB设备进行配置，请 参考设备的用户手册，或者在网上搜索一下内核是否已经实现了对这些设备的支持，再或者使用你所能找到的对应驱动程序。请注意，本文为了简化问题，所有的示 例配置都是编译到内核中去的，如果你希望使用内核的模块机制，在确认要编译哪些模块时，相应地调整一下内核配置文件。

代码 2.4: 2.4 kernel的make menuconfig选项

(此处配置只针对那些拥有USB输入设备的用户，Input core support在下面设置USB HID时是必需的)
Input core support  --->
   <*> Input core support
   < >   Keyboard support
   < >   Mouse support
   < >   Event interface support

USB support  --->

(这是根集线器，对于USB支持而言是必须的。如果你想把它编译成模块，那么它就叫做usbcore.o)
<*> Support for USB

(启用这一选项可以让你在/porc/bus/usb中查看USB设备，推荐启用)
 [*]   Preliminary USB device filesystem

(至少要选择一个HCD。如果你不能确定，就都选上好了)
--- USB Host Controller Drivers
<*>   UHCI Alternate Driver (JE) support
< >   OHCI (Compaq, iMacs, OPTi, SiS, ALi, ...) support

(此处是具体USB设备选项，根据你的需要来选择)
--- USB Device Class drivers
< >   USB Audio support
<*>   USB Mass Storage support
< >   USB Modem (CDC ACM) support
<*>   USB Printer support

(下面是HID选项，如果你有USB输入设备，这里是必选的)
--- USB Human Interface Devices (HID)
<*>   USB Human Interface Device (full HID) support
 [*]     HID input layer support

(如果你有串口-USB转接器，譬如Prolific 2303，你需要开启这一选项)
USB Serial Converter support  --->
    <*> USB Serial Converter support
    <*> USB Prolific 2303 Single Port Serial Driver (NEW)

内核选项已经配置完毕，（重新）编译内核，使用新内核重启机器就可以实现对USB设备的支持了。

3. 查看USB设备工作状况

现在终于到了与USB设备共舞的时刻了:) 在本章中，将会看到系统如何响应各种USB设备的。先从一个512M的U盘的插入开始，你也可以使用其他类似设备。我们主要是使用dmesg来查看U盘插入后发生了什么以及系统如何响应的。

注意: dmesg在显示我们所需要的信息之前会输出大量的冗余信息，因为它要读取内核的环缓冲区(ring buffer)，会输出许多启动信息。下面示例中的输出信息只给出了一部分信息，为了更好的阅读，还添加了一些空行。使用dmesg | more或dmesg | less来查看输出信息会更好一些。

代码 3.1: 记忆棒的dmesg输出

(先将U盘插入可用的USB端口，然后...)
# dmesg | less

(当前设备被识别为USB 1.1并为之分配一个地址。这也能说明哪一种HCD正在被使用)
usb 1-1: new full speed USB device using uhci_hcd and address 2

(SCSI模拟器会自动载入)
scsi0 : SCSI emulation for USB Mass Storage devices
usb-storage: device found at 2

(现在设备信息，包括模块号，都可以被检索到)
usb-storage: waiting for device to settle before scanning
  Vendor: JetFlash  Model: TS512MJF2A        Rev: 1.00
  Type:   Direct-Access                      ANSI SCSI revision: 02
SCSI device sda: 1003600 512-byte hdwr sectors (514 MB)

(写保护语句是未来新版本内核的试验性代码)
sda: Write Protect is off
sda: Mode Sense: 0b 00 00 08
sda: assuming drive cache: write through
SCSI device sda: 1003600 512-byte hdwr sectors (514 MB)
/dev/scsi/host0/bus0/target0/lun0: p1
Attached scsi removable disk sda at scsi0, channel 0, id 0, lun 0
Attached scsi generic sg0 at scsi0, channel 0, id 0, lun 0,  type 0
usb-storage: device scan complete
(在此，设备通常可以通过挂载/dev/sda1来访问)

(当设备断开连接时，系统会给出这样的反馈信息)
usb 1-1: USB disconnect, address 2

一旦设备连接上并被挂载，就可以像普通硬盘那样访问了。一些大众化的操作，譬如cp，mv，rm之类，都可以正常执行。也可以在U盘上创建文件系统。

代码 3.2: 访问U盘

# mount /dev/sda1 /mnt/usb
# df -h
Filesystem            Size  Used Avail Use% Mounted on
/dev/hda8             9.4G  7.5G  1.9G  80% /
/dev/hda9              11G  8.1G  2.4G  78% /usr
none                  189M     0  189M   0% /dev/shm
/dev/sda1             490M   34M  457M   7% /mnt/usb

注意: 也 可以像U盘那样访问数码相机。我曾有一个Nikon Coolpix 5200，我正是采用这种方式访问它的。数码相机中的图片通常有两种面向计算机的传输模式：USB块存储与PTP (Picture Transfer Protocol)。相机要是被设置为USB块存储模式，就如同上面所讲的U盘访问过程一样，但是也要注意这并非放之四海皆准的。

对于USB鼠标又是怎样一种情况呢？它应当被显示为一种HID设备。

代码 3.3: USB光电鼠标

# dmesg | grep USB
drivers/usb/input/hid-core.c: v2.0:USB HID core driver
usb 1-1: new low speed USB device using address 2
input: USB HID v1.10 Mouse [Logitech USB-PS/2 Optical Mouse] on usb-0000:00:07.2-1

另外一个时髦的命令lsusb可以查看你的USB端口。这个命令是sys-apps/usbutils软件包的一部分，下一章会介绍该软件包。

4. 用户级的USB

内核/系统对USB的支持已经见识得很多了。现在，我们将看看由Gentoo为USB提供的用户级支持。

一个非常有用的工具是lsusb，它可以列出所有连接到系统的USB设备，而且它的安装也非常easy。

代码 4.1: 安装usbutils

# emerge usbutils

安装完后，可以运行lsusb获得连接到机器上的USB设备的一些简要信息。

注意: 通常你必须以根用户身份运行lsusb。

警告: lsusb从/proc/bus/usb中读取USB设备信息，如果你在编译内核时没有进行相应配置，那么lsusb就无法工作了。所以，一定要确认你的内核配置启用了/proc文件系统支持，并且保证usbfs是挂载在/proc/bus/usb上的（默认就是如此）。

代码 4.2: 执行lsusb

# lsusb
(This is the 512 MB Memory Stick from Transcend)
Bus 001 Device 003: ID 0c76:0005 JMTek, LLC. USBdisk
(This is the Optical Mouse)
Bus 001 Device 002: ID 046d:c00e Logitech, Inc. Optical Mouse
(This is the root hub)
Bus 001 Device 001: ID 0000:0000

如果你喜欢看大量的输出信息，运行lsusb -v就可以满足你的这一欲望。lsusb另一个有用的选项是给出当前USB物理层次的树状信息，这可以更容易让你准确理解设备体系结构，这个命令就是lsusb -t，例如：

代码 4.3: lsusb显示USB物理层

# lsusb -t
Bus#  1
`-Dev#   1 Vendor 0x0000 Product 0x0000
  |-Dev#   2 Vendor 0x046d Product 0xc00e
  `-Dev#   3 Vendor 0x0c76 Product 0x0005

可以很容易地将lsusb与lsusb -t的输出信息联系起来，这有助于调试与理解USB的工作机制。

5. 致谢...

在我撰写这篇文档时，一些优秀的在线文档给予了我极大的帮助，它们有许多不仅技术含量高而且令人手不释卷。它们应当得到赞颂，来看一看！

• Compaq的OHCI标准
• Intel的UHCI标准