2024年4月16日发(作者：)

２００８年第４期

仪表技术

・５・

基于ＡＲＭ一ＬＩＮＵＸ平台的ＵＳＢ采集卡

设备驱动程序的设计　　　　　　　　

荆　　　　　　　　　　　　蕾‘，黄帷公‘，徐鹤２，王磊２，焦来磊，

（１．西华大学，四川成都６１００３９；　２．坊市农村信用社，山东滩坊２６１０４１；

３．烟台通源科技有限公司，山东烟台２６４００５）

摘要：将ＡＲＭ　－ＬＩ　ＮＵＸ平台作为ＵＳＢ主机，数据采集卡作为ＵＳＢ设备，设计一套通过ＵＳＢ总线传输数据的高速数据采集系

统

　Ｏ

针对数据采集卡，着重讲述ＵＳＢ字符设备驭动程序的设计。

　

关键词：ＵＳＢ字符设备；驱动；数据采集

中图分类号：ＴＰ３９文献标识码：Ｂ文章编号：１００６　－２３９４（２００８）０４　－０００５　－０３

Ｄｅｓ　　ｉｇｎ　ｏｆ　ＵＳＢ　Ｓａｍｐｌｉｎｇ　Ｃａｒｄ＇ｓ　Ｄｒｉｖｅｒ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＡＲＭ一ＬＩＮＵＸ　Ｐｌａｔｆｏｒｍ

Ｊ　　　　　　　　　　　　　　ＩＮＧ　Ｌｅｉ＇，ＨＵＡＮＧ　Ｗｅｉ－ｇｏｎｇ＇，ＸＵ　Ｐｅｎｇ２，ＷＡＮＧ　Ｌｅｉ２，ＪＩＡＯ　Ｌａｉ－ｌｅｉ＇

（１．　Ｘｉｈｕａ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ　６１００３９，Ｃｈｉｎａ；　２．　Ｒｕｒａｌ　Ｃｒｅｄｉｔ　Ｃｏｏｐｅｒａｔｉｖｅｓ　ｏｆ　Ｗｅｉｆａｎｇ，Ｗｅｉｆａｎｇ　２６１０４１，Ｃｈｉｎａ；

３．　　　　　　　ＴｏｎｇＹｕａｎ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ　Ｌｔｄ，　Ｙａｎｔａｉ　２６４００５，　Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ，

ａ　ｈｉｇｈ　ｓｐｅｅｄ　ｄａｔａ　ｓａｍｐｌｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｓ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ，ｗｈｉｃｈ

ｕｓｅｓ　ＡＲＭ一

ＬＩＮＵＸ　ｐｌａｔｆｏｒｍ　ａｓ

ＵＳ

Ｂ

ｈｏｓｔ

ａｎｄ

ｕｓｂ　ｄａｔａ　ｓａｍｐｌｉｎｇ　ｃａｒｄ　ａｓ　ｄｅｖｉｃｅ．　Ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｕｓｂ　ｃｈａｒａｃｔｅｒ　ｄｅｖｉｃｅｓ　ｄｒｉｖｅｒ　ｉｓ

ｅｍｐｈａｓｉｚｅｄ．

Ｋｅｙ

ｗｏｒｄｓ：

ＵＳＢ　ｄｅｖｉｃｅ；ｄｒｉｖｅｒ；　ｄａｔａ　ｓａｍｐｌｉｎｇ

１前言

化工作，包括电源、时钟、寄存器等。

　　　　ＡＲＭ一ＬＩＮＵＸ平台下的ＵＳＢ系统正常工作需要

ＵＳＢＤ（ＵＳＢ驱动）是整个ＵＳＢ主机驱动的核心，　　　　

包括下面几个部分，如图１所示。ＨＣＤ（主机控制器

主要功能有：ＵＳＢ总线、ＵＳＢ总线设备、ＵＳＢ总线带宽

驱动）是直接与主机硬件交互的软件模块，共有三种

等的管理，ＵＳＢ的４种类型数据传输（中断传输、批量

ＨＣＤ，分别对应三种不同的ＵＳＢ芯片。ＥＨＣＩ专门为

传输、等时传输、控制传输），ＵＳＢ　ＨＵＢ驱动，为ＵＳＢ

ＵＳＢ２．０芯片提供支持；ＯＨＣＩ用来为非ＰＣ上的ＵＳＢ

设备类提供接口等。

系统提供支持；ＵＨＣＩ为大多数其他ＰＣ主板上的ＵＳＢ

ＵＳＢ设备类驱动是最终与应用程序交互的软件模　　　　

提供支持。本设计中选用了ＯＨＣＩ，由ＬＩＮＵＸ内核提

块，它处在物理设备与用户任务进程之间，为用户屏蔽

供，要移植到Ｓ３　Ｃ２４１０上面，只需要做一些与硬件相

了具体的硬件，封装了控制的细节，并防止对硬件的非

关的改动，主要完成Ｓ３Ｃ２４１０　ＵＳＢ　ＨＯＳＴ设备的初始．

法操作，主要完成对特定ＵＳＢ设备的访问，向系统内

核注册文件系统等功能。本文主要介绍该驱动部分的

应用软件

设计。当应用程序访问设备时，Ｌｉｎｕｘ内核通过访问该

文件系统

设备对应的文件节点，利用虚拟文件系统调用该设备

ＵＳＢ设备Ｎ州ＵＳＢ设备类驱动程序

的相关处理函数，而这些函数的处理过程就是设备类

驱动程序要完成的重点。

ＵＳＢＤ（ＵＳＢ内核、ＵＳＢ　ＨＵＢ驱动）

２　ＵＳＢ设备类驱动中虚拟文件系统的使用

ＨＣＤ　ＷＨＯ驱动、ＵＨＣＩ驱动、ＥＨＣＩ驱动）

　　　　Ｌｉｎｕｘ将所有设备都作为文件进行处理，采用分层

封装的方法向应用层提供一种通用的文件系统接口，

ＵＳＢ硬件接口（ＯＨＣＩ控制器、ＵＨＣ胜制器、ＥＨＣＩ控制器）

所以对设备的操作像对文件的操作一样方便。对用户

图１　　ＡＲＭ　－ＬＩ　ＮＵＸ平台下ＵＳＢ系统架构

而言，访问硬件只需要调用文件操作的标准函数来实

收稿日期

２００７一１１

作者简介

荆曹（１９８０－），女，硕士研究生，研究方向为工业测控；黄惟公，男，教授。

万方数据

。６・

仪表技术

２００８年第４期

现。以打开设备为例，用户调用函数ｆｄ　＝　ｏｐｅｎ（　＂／ｄｅｖ／

ｕｓｂ／ｕｓｂ＿ｓｄ＂，　０＿ＲＤＷＲ　），可以读写方式打开设备，并

返回设备句柄。

据不能直接互访，必须要借助ｃｏｐｙｅｆｒ　ｏｍ　ｕｓｅｒ（　）　，ｃｏｐｙ－

ｔｏ－ｕｓｅｒ（）两个函数在两个空间中传递。

４驱动模块的加载方式

　　　　每一个设备都对应一个／ｄｅｖ目录下的设备文件，

也就是设备节点。标识设备需要三个因素，即设备类

型和主、次设备号。在本设计中，在／ｄｅｖ／ｕｓｂ／目录下，

Ｌｉ　　　　ｎｕｘ内核采用可加载的模块化设计，编译的驱动

程序作为模块加载进内核。这样做的好处是，不需要

ｍｋｎｏｄ　ｕｓｂ＿ｓｄ　ｃ　１８０　２００，建立一个名字为ｕｓｂ＿ｓｄ　（　ｕｓｂ

ｓａｍｐｌｅ　ｄｅｖｉｃｅ）的字符设备节点，主设备号１８０，次设备

号为２００。主设备号对应某一类设备，这里是指ＵＳＢ

设备，内核利用主设备号将设备与相应的驱动程序对

应起来。当设备文件系统向内核注册后，内核就知道

了该驱动程序对应什么设备。

在内核内部有一个ｆ　　　　ｉｌｅ结构识别设备，内核用ｆｉｌｅ

ｏｐｅｒａｔｉｏｎｓ结构访间驱动程序的函数。ｆｉｌｅ－ｏｐｅｒａｔｉｏｎｓ

结构是一个函数指针表。本例中，

ｓ　　　　ｔａｔｉｃ　ｓｔｒｕｃｔ　ｆｉｌｅ－ｏｐｅｒａｔｉｏｎｓ　ｓａｍｐｌｅ－ｆｏｐｓ二１

　　　　　　　　ｒｅａｄ：　　　　　　ｓａｍｐｌｅ－ｒｅａｄ，

ｗｒｉｔｅ

ｓａｍｐｌｅ－

ｉｏｃｔｌ：

ｗ

１侣ｃｃｕ，

ｒｉｔｅ

ｏｐｅｎ：

ｓａｍｐｌｅ－ｏｐｅｎ，

ｒｅｌｅａｓｅ：

ｓａｍｐｌｅ－ｒｅｌｅａｓｅ

｝；　　　　

　　　　可以看到，这个结构就是应用程序调用的标准函

数和驱动程序的接口。ｓａｍｐｌｅ－ｒｅａｄ等函数的功能由

驱动负责实现。

３对硬件的操作

　　　　实现对硬件的操作也不需要驱动直接操作设备Ｉ／

０，只需调用内核支持的ＡＰＩ函数，例如读取批量设备数

据调用ｕｓｂ　ｂｕｌｋ＿ｍｓｇ（），读取成功后将读取上来保存在

内核空间的数据传递给用户空间用ｃｏｐｙ－ｔｏ－ｕｓｅｒ（　），以

读设备的ｓａｍｐｌｅ　ｒｅａｄ）为例，流程如图２所示。

交返回读取到的数据个攀夕　　　　　　

图２　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　ｓａｍｐｌｅ－ｒｅａｄ流程

　　　　内核空间和用户空间有所不同，驱动程序属于内

核空间，普通的应用程序属于用户空间，两个空间的数

万方数据

该模块的时候，不用将其放人内核，给内核瘦身，也减

少了出错的机会。通常使用ｉｎｓｍｏｄ，　ｒｍｍｏｄ加载和卸

载模块。ｉｎｓｍｏｄ命令执行时，驱动程序中的人口点是

ｉｎｉｔ＿ｍｏｄｕｌｅ　（　），在该函数中实现驱动向内核的注册。

ｒｍｍｏｄ时，驱动程序中的入口点是ｃｌｅａｎｕｐ－ｍｏｄｕｌｅ（　）　，

在该函数中实现该驱动从内核中卸载。

５获取调试的验证信息

　　　　　　驱动程序不像其他应用程序那样，可以放在调试

器中调试，比较通用的调试方法主要有下面几种。　　

５．　　１使用ｐｒｉｎｔｋ，　ｉｎｆｏ）调试

在程序中需要验证的地方加入ｐｒ　　　　　　ｉｎｔｋ　（　）　，　ｉｎｆｏ　（　）

等，　　这是在程序调试过程中最普通但却很有效的方法。

程序开始＃ｄｅ　　ｆｉｎｅ　ＤＥＢＵＧ　１，打开调试，允许信息输出。

例如打印出主次设备号：　　　　　　

ｉ　　　　　　ｆ（ＤＥＢＵＧ）

ｌ　　　　　　　　　　　　ｉｎｆｏ（“ＵＳＢ　Ｓａｍｐｌｅ　ｄｅｖｉｃｅ　ｎｏｗ　ａｔｔａｃｈｅｄ　ｔｏ　ＵＳＢ％

ｄ，　　％ｄ＂，ＵＳＢ＿ＭＡＪＯＲ，ｄｅｖ一＞ｍｉｎｏｒ）；｝

如此，当调试驱动时，　　　　　　如果允许了信息输出，ｃａｔ／

　　ｖａｒ／ｌｏ岁ｍｅｓｓａｇｅｓ可以在系统的日志文件中查找到输

出信息如下：　　

Ｏｃｔ　　　　　　　１８　１３，０９：１０　ｌｏｃａｌｈｏｓｔ　ｋｅｒｎｅｌ；　ｕｓｂ＿ｓｄ．　ｃ：ＵＳＢ

　　Ｓａｍｐｌｅ　ｄｅｖｉｃｅ　ｎｏｗ　ａｔｔａｃｈｅｄ　ｔｏ　ＵＳＢ　１８０　，　２００　０

程序完成后，　　　　　　将ＤＥＢＵＧ的定义改为０，关闭调试，

关闭信息输出。　　

这种方法只会在调试时增加程序代码量，一旦成　　　　　　

．型，就不会影响代码量大小。

５．　　２使用／ｐｒｏｃ文件系统

　　　　　　／ｐｒｏｃ文件系统与任何设备都没有关系，是个伪文

件系统。该目录下的文件都是在被读取时由内核创建　　

的。这个伪文件系统让用户和内核内部数据结构进行　　

交互，　　获取有关进程的有用信息。与其他文件系统不

同在于，　　该文件系统存在于内存中而不在硬盘上。

　　　　　　使用／ｐｒｏｃ，首先ｍｏｕｎｔ－ｔ　ｕｓｂｄｅｖｆｓ　ｎｏｎｅ／ｐｒｏｃ／ｂｕｓ／

ｕｓ　　ｂ将ｕｓｂｄｅｖｆｓ挂载到／ｐｒｏｃ／ｂｕｓ／ｕｓｂ这个目录下，便

　　于查看ｕｓｂ设备的相关信息。挂载之后，我们的操作

在／ｐｒ　　ｏｃ／ｂｕｓ／ｕｓｂ目录下的某些文件中就能反映出来。

例如ｉ　　ｎｓｍｏｄ　ｕｓｂ＿ａｄ．。插人设备驱动模块后，ｃａｔ／ｐｒｏｃ／

ｂｕｓ　　／ｕｓｂ／ｄｒｉｖｅ。可看到下面信息：

２００８年第４期

仪表技术

・７・

［ｒｏｏｔ＠　ｌｏｃａｌｈｏｓｔ　ｄｒｉｖｅｒ］　＃　ｃａｔ／ｐｒｏｃ／ｂｕｓ／ｕｓｂ／ｄｒｉｖｅｒｓ

ｐｒｅｓｓ，产品标识是ＥＺ一ＵＳＢ　ＦＸ２，该设备对应的驱动

名称是ｕｓｂ＿　ｓｄ，该设备由两个端点，分别为端点２和

ｈｕｂ　　　　　　

９６一１１１：ｈｉｄｄｅｖ

６，一个输出、一个输人，且都是最大包为６４字节的块

ｈｉ　　　　　　ｄ

端点。

２００一２１５：　　　　　ｕｓｂ－ｓｄ

　　　　这些调试信息在驱动的开发阶段能帮助我们正确

　　　　可以看到，关于ｕｓｂ的所有驱动信息在这打印出

定位错误，解决故障。

来，还增加了名字为ｕｓｂ　ｓｄ的ＵＳＢ驱动和我们刚刚挂

载的ｕｓｂｄｅｖｆｓ　ｏ　ｕｓｂ－ｓｄ就是数据采集卡的设备驱动程

６总结

序模块。

　　　　ＵＳＢ总线虽然从技术层面来说比较简单，但因为

驱动加载上了，　　　　硬件接人时，能不能识别出来设备

其支持固定带宽传输和即插即用的特性，使得其应用

就是用了该驱动的呢？将采集卡通过ｕｓｂ口接入，在

越来越广泛。单从驱动方面来说，很多特点相同的设

终端上ｃａｌ／ｐｒｏｃ／ｂｕｓ／ｕｓｂ／ｄｅｖｉｃｅｓ，观察到下面的信息：

备都可以非常方便的共用相同的驱动，开发也比较简

［ｒ　　　　ｏｏｔ＠　ｌｏｃａｌｈｏｓｔ　ｄｒｉｖｅｒ］　＃　ｃａｔ／ｐｒｏｃ／ｂｕｓ／ｕｓｂ／ｄｅｖｉｃｅｓ

　　　　……（略掉了与采集卡无关的信息）

单，是工程应用中很好的选择。

Ｔ：　　　　Ｂｕｓ二０１　Ｌｅｖ二０１　Ｐｍｔ二０１　Ｐｏｒｔ二（００　Ｃｎｔ　＝　０１　Ｄｅｖ＃＝３　Ｓｐｄ二１２

ＭｘＣｈ二０

参考文献：

Ｄ：Ｖｅｒ＝２．　　　　００　Ｃｌａ二００（　＞　ｉｆｃ）　Ｓｕｂ二００　Ｐｒｏｔ＝００　ＭｘＰＳ二６４　＃Ｃｆｇ。二１

Ｐ：　　　　　Ｖｅｎｄｏｒ二０５４７　ＰｒｏｄｌＤ二１００２　Ｒｅｖ二０．００

［１〕孙琼．嵌人式Ｌｉｎｕｘ应用程序开发详解【Ｍ］．人民邮电出版

Ｓ：　　　　　Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅｒ　＝　Ｃｙｐｒｅｓｓ

　　　　社，２００６．

Ｓ：　　　　　Ｐｒｏｄｕｃｔ＝ＥＺ一ＵＳＢ　ＦＸ２

［２〕张晓林，崔迎炜，等．嵌人式系统设计与实践【Ｍ〕北京航

Ｃ：＊＃Ｉ　　　　ｆｓ　＝１　Ｃｆｇ＃二１　Ａｔｒ二ａ０　ＭｘＰｗｒ　＝１００ｍＡ

Ｉ：　　　　Ｉｆ＃　＝０　Ａｌｔ二０　＃ＥＰｓ二２　Ｃｌｓ二ｆｆ（　ｖｅｎｄ．　）Ｓｕｂ二（００　Ｐｒｏｔ　＝　００　Ｄｒｉｖｅｒ＝

空航天大学出版社，　　　　２００６．

ｕｓｂ＿　ｓｄ

［３１　ＡＬＥＳＳＡＮＤＲＯ　ＲＵＢＩＮＩ著，ＬＩＳＯＬＥＧ译．ＬＩＮＵＸ设备驱动

Ｅ：　　　　　Ａｄ二０２　（０）　Ａｕ二０２　（Ｂｕｌｋ）　ＭｘＰＳ　＝　６４　Ｉｖｌ　＝０ｍｓ

程序〔Ｍ］．中国电力出版社，　　　　２００４．

Ｅ：　　　　　Ａｄ　＝　８６（　Ｉ）　Ａｔｒ　＝０２　（　Ｂｕｌｋ）　ＭｘＰＳ二６４　Ｉｖｌ　＝０ｍ８

［４〕孙天泽，袁文菊，张海峰．嵌人式设计及Ｌｉｎｕｘ驱动开发指

　　　　可以得到这些有用信息，检测到有设备接人平台，

南—　　　　基于ＡＲＭ９处理器【Ｍ］．电子工业出版社，２００５．

该设备的ＰＩＤ／ＶＩＤ　＝Ｏｘ　Ｏ５４７／Ｏｘ１００２，制造商是Ｃｙ－

（许雪军编发）　　　　　　　　　　　　

（上接第４页）

［Ｍ］．北京：北京航空航天大学出版社，２００７．

　　　　节点在路由选择和路由维护时，ＺｉｇＢｅｅ的路由算法

（丁云编发）　　　　　　　　　　　　

使用了路由成本的度量方法来比较路由的好坏。成本

（链路成本）与路由中的每一个链路相关。组成路由的

链路成本之和为路由成本。ＺｉｇＢｅｅ路由和协调器需要

对路由表进行维护。ＺｉｇＢｅｅ路由和协调器也保存一定

数量的人口，仅仅在路由维护时使用这些人口。或者在

耗尽所有其他的路由容量的情况下使用这些人口。路

由选择是在网络中的设备相互合作条件下的选择，并建

立路由的一个流程，该流程通常与特定的源地址和目的

地址相对应。路由选择包括如下的一个流程：１）路由搜

索的初始化。２）接收路由请求命令帧。３）接收路由应

答命令帧。ＺｉｇＢｅｅ基本的路由算法如图４所示。

参考文献：

［１］粗雷一种新的无线网络通信技术ＺｉｇＢｅｅ［Ｊ］．单片机与嵌

人式应用，　　　　２００６，（１）．

［２〕安庆敏，吴光明，等．ＺｉｇＢ，的无线通信网络平台【Ｊ］．现代

建筑电气篇，　　　　２００７，（６）．

［３〕王东，张金荣，等・利用ＺｉｇＢｅｅ技术构建无线传感器网络

　　　　［Ｊ］．重庆大学学报，２００６，（８）．

［４］李文仲，段朝玉，等．ＺｉｇＢｅｅ无线网络技术人门与实战

图４　　ＺｉｇＢｅｅ路由算法

万方数据