Linux は接続した USB デバイスをどのように識別するのでしょうか?

＃＃＃＃＃＃I.はじめに＃＃＃＃＃＃

Linux オペレーティング システムを学習するときに、次のような疑問を抱いたことはありますか。なぜコンピュータはさまざまな USB デバイスを認識して使用できるのでしょうか?なぜ Linux システムはマウスをキーボードとして使用しないのでしょうか? Linux システムにおける USB デバイスの識別とロードのプロセスについて説明します。

2. USB デバイスの識別とロード

USB デバイスをコンピュータに接続すると、Linux カーネルが自動的に検出して対応するドライバをロードし、デバイスが正常に動作できるようにします。次に、Linux システムにおける USB デバイスの識別とロードのプロセスについて詳しく説明します。

2.1 USB コントローラーがデバイスの挿入を検出します

USB コントローラーは、USB バス上のデバイスを制御するために使用されるハードウェア デバイスです。 USB デバイスを接続すると、USB コントローラーが電圧の変化を検出し、割り込み信号を送信します。この割り込み信号はプロセッサ上の USB コントローラー割り込みラインに送信され、新しい USB デバイスが接続されたことを Linux カーネルに伝えます。

2.2 カーネルがドライバーを検出してロードします

カーネルは USB コントローラーから割り込み信号を受信すると、USB サブシステムの usbcore モジュールを呼び出します。このモジュールは、新しい USB デバイスを検出し、対応するドライバーをロードします。

usbcore

モジュールは最初に、デバイスの製造元 ID、製品 ID、カテゴリ コード、その他の情報を含むデバイス記述子を検出します。 一致するドライバーがすでに存在する場合、usbcore モジュールはドライバーをロードします。一致するドライバーがない場合は、ほとんどの USB デバイスをサポートできるユニバーサル ドライバーをロードしようとします。

2.3 ドライバーが USB サブシステムに登録されます

正しいドライバーがロードされると、USB サブシステムに登録され、どのデバイスを処理できるかが通知されます。このステップには通常、USB デバイスのクラス (ストレージ デバイス、入力デバイスなど) をカーネルに登録することが含まれます。 このプロセスには、新しい USB デバイス ドライバーをカーネルに登録し、デバイスのメーカー ID、製品 ID、およびその他の情報をドライバーに指定することが含まれます。ドライバーが正常に登録されると、USB サブシステムはデバイスを正しいドライバーと照合できます。

2.4 USB サブシステムはデバイス ノードを作成します

USB サブシステムは次に、デバイスのデバイス ノードを作成します。デバイス ノードは、ユーザー空間プログラムがデバイスと通信できるようにする /dev ディレクトリ内の特別なファイルです。デバイス ノードの名前は通常、デバイスの製造元 ID、製品 ID、シリアル番号、およびその他の情報に基づいてカーネルによって動的に生成されます。

デバイス ノードの作成は、udev デーモン プロセスを通じて行われます。このデーモン プロセスは、システム内のデバイスのプラグインおよびアンプラグ イベントを監視し、対応するデバイス ノードを自動的に作成または削除します。デバイス ノードが作成されると、カーネルはデバイスへのアクセス権をユーザー空間プログラムに割り当てることができます。

2.5 ドライバー初期化デバイス

新しいデバイスが挿入されたことがドライバーに通知されると、ドライバーはデバイスを初期化します。初期化には、デバイスの転送速度の設定、メモリ バッファの割り当てなどが含まれる場合があります。デバイスの初期化が完了すると、ドライバーは USB サブシステムにデバイスの準備ができたことを報告します。

2.6 ユーザー空間プログラムがデバイスを開きます:

最後に、ユーザー空間プログラムはデバイス ノードを開いてデバイスと通信できます。デバイス ノードの権限は、通常、root ユーザーまたは関連するグループ内のユーザーのみにアクセスを許可するように設定されています。ユーザー空間プログラムは、read や write などのシステム コールを使用して、デバイスにコマンドを送信し、データを受信できます。

このプロセスを通じて、Linux システムは自動的にデバイスを識別し、対応するドライバーをロードして、デバイスが正常に動作できるようにします。これは、USB デバイスを接続するときに、ドライバーを手動でインストールしたり、デバイスを直接使用し始めるためにその他の操作を実行したりする必要がない理由でもあります。

USB デバイスを接続すると、Linux システムは上記の手順を自動的に実行して、デバイスを自動的に識別し、対応するドライバーをロードして、デバイスが正常に動作できるようにします。コードレベルからプロセスを分析してみましょう。

3. コード実装の説明

以下では、いくつかのサンプルコードを通じて、Linux システムにおける USB デバイスの識別とロードのプロセスを説明します。これらのサンプル コードは原理を説明するためのものであり、実際のコードはさらに複雑になります。

3.1 検出装置の挿入

USB デバイスがシステムに接続されると、割り込み信号が生成され、プロセッサ上の USB コントローラー割り込みラインによって捕捉され、カーネルの USB サブシステムによって処理されます。以下は、USB デバイスのプラグインおよびアンプラグ イベントを検出する方法を示すサンプル コードです:

リーリー

このコードは、USB デバイスにアクセスするために使用される C 言語ライブラリである libusb ライブラリを使用します。 USB デバイスにアクセスするための API だけでなく、USB サブシステムの初期化と USB バスのスキャンのための API も提供します。

3.2 ドライバーのロード

デバイスが接続されていることが検出されると、USB サブシステムは適切なドライバーをロードしようとします。以下は、USB ストレージ デバイス (USB フラッシュ ドライブなど) のサポートを担当するサンプル ドライバー コードです。 リーリー

このコードは、USB ストレージ デバイスの挿入および取り外しイベントを処理できる単純なドライバーを示します。ドライバーをロードするとき、カーネルは、ロードされたドライバーのリストからデバイスに一致するドライバーを検索します。

一致するドライバーが見つかった場合、カーネルはそのドライバーを使用してデバイスを管理します。一致するドライバーが見つからない場合、カーネルはドライバーをロードしません。

3.3 デバイスの登録

デバイスに一致するドライバーが見つかると、ドライバーがロードされて開始され、デバイスの初期化とカーネルへの登録が試行されます。以下は、USB ストレージ デバイスを初期化し、カーネルに登録する方法を示すサンプル コードです。 リーリー

上記のサンプル コードでは、カーネルの

usb_get_descriptor()

関数を使用してデバイス記述子を取得し、printk() 関数を使用してデバイス情報をカーネル ログに記録します。 ドライバーはデバイス初期化関数を呼び出してカーネルに登録しますが、デバイスの初期化と登録のプロセスはデバイスによって異なるため、コードのこの部分はここでは省略されています。

3.4 设备访问

一旦设备已经被注册到内核，用户空间程序就可以通过设备节点来访问设备。在Linux系统中，设备节点是一种特殊的文件，可以通过标准文件I/O函数来访问。下面是一个示例代码，演示如何打开并读取USB存储设备：

#include 
#include 
#include 

int main() {
    // 打开设备节点
    int fd = open("/dev/sdb", O_RDONLY);
    if (fd printf("Failed to open device\n");
        return 1;
    }

    // 读取设备数据
    char buf[1024];
    ssize_t n = read(fd, buf, sizeof(buf));
    if (n printf("Failed to read device\n");
        close(fd);
        return 1;
    }

    // 关闭设备节点
    close(fd);

    return 0;
}

这段代码使用了标准的文件I/O函数来访问设备节点。在这个例子中，设备节点的路径是/dev/sdb，这是一个典型的USB存储设备节点。接下来，程序将设备节点作为文件打开，并使用read()函数从设备中读取数据。一旦完成数据的读取，程序将关闭设备节点并退出。

四、结语

Linux系统识别USB设备的过程可以分为四个步骤：设备连接、驱动匹配、设备注册和设备访问。当用户将USB设备插入计算机时，内核将通过USB总线来检测设备的插入事件，并尝试查找与设备匹配的驱动程序。一旦找到了匹配的驱动程序，驱动程序将被加载并启动，它将尝试对设备进行初始化，并将其注册到内核。一旦设备已经被注册到内核，用户空间程序就可以通过设备节点来访问设备。

在Linux系统中，驱动程序是非常重要的组成部分，它们负责管理和控制系统中的各种设备。对于USB设备而言，内核提供了一个通用的USB驱动框架，它可以自动检测和加载驱动程序，并为用户提供了一个简单而强大的USB设备访问接口。通过深入理解USB驱动程序的工作原理，我们可以更好地理解Linux系统中设备管理的内部机制，这对于开发和调试设备驱动程序非常有帮助。

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