USB 串口驱动分享-优快云博客

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一、USB 串口驱动概述

USB（Universal Serial Bus）作为现代电子设备中最普及的接口标准之一，已成为连接计算机与外部设备的主要方式。而 USB 串口驱动（USB to Serial Driver）则是实现 USB 接口与传统串口（UART）设备通信的桥梁，它使得大量基于串口的设备（如嵌入式开发板、工业传感器、调试工具等）能够通过 USB 接口与主机通信。

1.1 USB 串口驱动的应用场景

USB 串口驱动的应用场景极为广泛：

嵌入式开发：单片机、MCU 开发板通过 USB 转串口实现程序下载与调试
工业控制：PLC、传感器等设备通过 USB 串口与上位机通信
消费电子：打印机、条码扫描器、USB 调制解调器等
医疗设备：部分医疗仪器仍依赖串口通信，通过 USB 转接实现兼容性
物联网设备：智能家居、传感器节点的配置与数据传输

1.2 USB 串口驱动的技术本质

USB 串口驱动的核心技术本质是协议转换：

将 USB 的高速串行差分信号转换为 UART 的 TTL 电平信号
将 USB 的数据包格式转换为 UART 的字节流格式
实现 USB 协议栈与 UART 控制器之间的逻辑映射

这种转换通常由硬件（USB 转串口芯片）和软件（驱动程序）共同完成，其中驱动程序负责操作系统与硬件之间的接口适配。

二、USB 技术基础

2.1 USB 体系结构

USB 采用分层体系结构，自下而上包括：

物理层：定义电气特性、接口机械规格和数据传输的物理机制
协议层：定义数据传输的格式、时序和控制机制
驱动层：操作系统中与 USB 设备交互的驱动程序
应用层：使用 USB 设备的应用程序

USB 物理层采用四线制：

Vbus（5V 电源）
GND（地）
D+（数据正）
D-（数据负）

2.2 USB 数据传输类型

USB 支持四种数据传输类型，每种类型适用于不同的应用场景：

控制传输（Control Transfer）：用于设备枚举、配置和命令交互，具有可靠性保证
批量传输（Bulk Transfer）：用于大量数据传输，无实时性要求但保证可靠性，如 U 盘
中断传输（Interrupt Transfer）：用于周期性小数据传输，如键盘、鼠标
等时传输（Isochronous Transfer）：用于实时数据传输，不保证可靠性，如音频、视频

USB 串口驱动主要使用控制传输进行设备配置，使用批量传输进行数据收发。

2.3 USB 设备枚举过程

USB 设备插入主机时，会经历完整的枚举过程：

主机检测到 USB 设备接入（D + 或 D - 上拉电阻变化）
主机通过控制传输获取设备的默认描述符（Default Descriptor）
主机分配设备地址，并使用新地址重新获取描述符
获取设备描述符（Device Descriptor）、配置描述符（Configuration Descriptor）、接口描述符（Interface Descriptor）和端点描述符（Endpoint Descriptor）
根据描述符信息，主机加载对应的驱动程序
驱动程序完成设备初始化，设备进入工作状态

USB 串口驱动的枚举过程会特别关注设备的类代码（Class Code），串口设备通常属于通信设备类（Communication Device Class, CDC）。

三、串口（UART）技术基础

3.1 UART 工作原理

UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter）是一种异步串行通信协议，其核心特点：

异步通信：不使用时钟线，收发双方通过约定波特率同步
全双工：发送（TX）和接收（RX）线独立，可同时收发
简单协议：以字节为单位传输，每个字节包含起始位、数据位、校验位和停止位

UART 数据帧格式（以 8N1 为例）：

起始位：1 个逻辑 0
数据位：8 位，低位在前
校验位：无（N）
停止位：1 个逻辑 1

3.2 串口通信参数

串口通信的关键参数包括：

波特率（Baud Rate）：数据传输速率，常见有 9600、115200、230400 等
数据位：5-8 位，常用 8 位
校验位：无（N）、奇校验（O）、偶校验（E）
停止位：1 或 2 位，常用 1 位
流控制：硬件流控制（RTS/CTS）、软件流控制（XON/XOFF）或无

USB 串口驱动需要在软件层面实现这些参数的配置与映射。

3.3 串口与 USB 的差异对比

特性	串口（UART）	USB
通信方式	异步串行	同步串行（主机控制）
传输方向	全双工（TX/RX）	半双工（分时双向）
传输速率	低（最高数 Mbps）	高（USB 3.2 可达 10Gbps）
物理接口	简单（TX/RX/GND）	复杂（4-5 线，含电源）
设备管理	无枚举过程	严格枚举与配置
供电能力	无	可提供 5V/900mA（USB 3.0）

四、USB 串口驱动核心架构

4.1 驱动模型架构

USB 串口驱动遵循操作系统的驱动模型，以 Linux 为例，其架构包括：

USB 核心层（USB Core）：提供 USB 设备的基本管理功能
USB 主机控制器驱动（Host Controller Driver）：操作硬件控制器
USB 串口驱动（USB Serial Driver）：实现 USB 到串口的协议转换
串口子系统（Serial Subsystem）：提供统一的串口接口
应用层接口：通过 /dev/ttyUSB * 设备文件供应用程序访问

在 Windows 系统中，驱动模型基于 WDM（Windows Driver Model），包括：

总线驱动（Bus Driver）
功能驱动（Function Driver）
过滤驱动（Filter Driver）
设备接口（Device Interface）

4.2 CDC 协议规范

USB 串口驱动通常基于CDC（Communication Device Class） 协议，该协议定义了：

通信接口（Communication Interface）：用于控制通信参数
数据接口（Data Interface）：用于实际数据传输
抽象控制模型（Abstract Control Model, ACM）：定义串口控制命令

CDC 协议将 USB 设备划分为以下功能单元：

数据通信设备（DCE）：如调制解调器
数据终端设备（DTE）：如计算机
通信控制设备（CCE）：如串口适配器

4.3 数据传输流程

USB 串口驱动的数据传输流程如下：

发送数据（主机到设备）：

应用程序通过 write () 系统调用发送数据
串口子系统将数据放入发送缓冲区
USB 串口驱动将字节流封装为 USB 批量传输数据包
USB 核心层将数据包发送到主机控制器
主机控制器通过 USB 总线发送数据到设备
设备端 USB 转串口芯片将 USB 数据包解包为 UART 字节流

接收数据（设备到主机）：

设备端 UART 接收数据，存入芯片缓冲区
USB 转串口芯片将字节流封装为 USB 批量传输数据包
主机控制器接收数据包并传递给 USB 核心层
USB 串口驱动解包数据，存入接收缓冲区
串口子系统通知应用程序有数据可读
应用程序通过 read () 系统调用获取数据

五、Linux 系统中的 USB 串口驱动实现

5.1 Linux USB 子系统架构

Linux 内核中的 USB 子系统主要由以下部分组成：

usbcore：USB 核心模块，提供基础 API
usbhci/ohci/ehci/xhci：主机控制器驱动，对应不同 USB 版本
usbserial：USB 串口驱动框架
具体厂商驱动：如 cp210x、ch341 等

Linux 的 USB 串口驱动遵循分层设计原则，将共性功能抽象到 usbserial 框架，厂商特定功能由具体驱动实现。

5.2 usbserial 框架解析

usbserial 框架定义了关键数据结构：

运行

struct usb_serial_driver {
    const char *description;
    struct usbdrv_wrap drvwrap;
    int (*probe)(struct usb_serial *serial,
                 const struct usb_device_id *id);
    void (*disconnect)(struct usb_serial *serial);
    int (*write)(struct usb_serial *serial,
                 const unsigned char *data, int len);
    // 其他回调函数...
};

struct usb_serial {
    struct usb_interface *interface;
    struct usb_device *dev;
    struct usb_serial_driver *driver;
    // 发送/接收缓冲区
    // 串口参数配置
    // 中断处理等...
};

框架提供了统一的串口操作接口，将 USB 通信转换为串口设备的操作。

5.3 驱动注册与设备匹配

Linux USB 串口驱动的注册流程：

定义厂商和产品 ID 列表（USB_DEVICE_ID）
实现 probe () 回调函数，用于设备探测
实现 disconnect () 回调函数，用于设备移除
通过 usb_serial_register_driver () 注册驱动

设备匹配时，内核会根据 USB 设备的 VID（厂商 ID）和 PID（产品 ID）查找对应的驱动程序。

5.4 数据传输实现

Linux USB 串口驱动的数据传输通过urb（USB Request Block） 实现：

发送数据时，构建 urb 并提交给 USB 核心层
接收数据时，预先提交多个 urb 用于循环接收
采用中断方式处理数据到达事件

以下是接收数据的关键代码片段：

运行

static void serial_in_urb(struct urb *urb)
{
    struct usb_serial *serial = urb->context;
    struct usb_serial_port *port = serial->port;
    int len = urb->actual_length;
    
    if (len > 0) {
        // 将数据存入接收缓冲区
        serial->receive_urb(serial, urb->buffer, len);
        // 唤醒等待数据的进程
        wake_up(&serial->wait);
    }
    
    // 重新提交urb，准备接收下一批数据
    usb_submit_urb(urb, GFP_ATOMIC);
}

5.5 串口参数配置

Linux USB 串口驱动通过termios 结构体实现串口参数配置：

波特率转换：通过 USB CDC ACM 命令设置设备波特率
数据位、校验位、停止位：映射到设备寄存器配置
流控制：通过 USB 控制传输实现 RTS/CTS 信号控制

波特率转换时，驱动需要将 Linux 的波特率常量（如 B115200）转换为设备支持的实际速率值。

六、Windows 系统中的 USB 串口驱动实现

6.1 Windows 驱动模型（WDM）

Windows USB 串口驱动基于 WDM 模型，主要组件包括：

设备对象（Device Object）：表示硬件设备
驱动对象（Driver Object）：表示驱动程序
功能设备对象（FDO）：代表设备的主要功能
物理设备对象（PDO）：代表硬件物理特性
接口（Interface）：提供应用程序访问接口

6.2 驱动开发框架

Windows USB 串口驱动通常使用Visual Studio和WDK（Windows Driver Kit） 开发，关键步骤：

创建设备对象和符号链接
实现 IRP（I/O Request Packet）处理函数
注册 USB 设备回调函数
实现串口 API 到 USB 操作的映射

6.3 设备枚举与安装

Windows USB 串口驱动的安装流程：

设备插入时，系统查找 INF（Information File）文件
INF 文件描述设备的 VID/PID、驱动文件、注册表设置等
系统根据 INF 文件安装驱动，并创建设备节点（如 COM3）
应用程序通过 COM 端口号访问设备

INF 文件示例片段：

[Version]
Signature="$Windows NT$"
Class=Ports
ClassGUID={4D36E978-E325-11CE-BFC1-08002BE10318}

[Manufacturer]
%ManufacturerName%=USBSerial, NTamd64

[USBSerial.NTamd64]
%DeviceDesc%=USBSerial_Install, USB\VID_1234&PID_5678

[USBSerial_Install]
DriverVer=07/01/2025,1.0.0.0
AddReg=USBSerial_Install.AddReg
DeviceDesc=%DeviceDesc%

[USBSerial_Install.AddReg]
HKR, "PortName", 0x00000000, "COM%1%"

6.4 数据传输与 IOCTL

Windows USB 串口驱动通过IOCTL（Input/Output Control） 处理数据传输和控制命令：

读取数据：ReadFile () -> IRP_MJ_READ
写入数据：WriteFile () -> IRP_MJ_WRITE
配置参数：DeviceIoControl () -> 自定义 IOCTL 码

数据传输使用 Windows 的 USB 驱动接口（USBD），通过 URB（USB Request Block）与 USB 主机控制器交互。

6.5 电源管理与热插拔

Windows 驱动需要处理电源管理事件（如睡眠、唤醒）和设备热插拔事件：

实现电源管理回调函数（PowerCallback）
处理 IRP_MJ_POWER 请求
在设备移除时释放资源

七、嵌入式系统中的 USB 串口驱动

7.1 嵌入式 USB 驱动特点

嵌入式系统中的 USB 串口驱动具有以下特点：

资源受限：内存、CPU 资源有限
实时性要求高：响应速度影响系统性能
跨平台适配：需适配不同 MCU 和 RTOS
低功耗设计：支持休眠、唤醒等电源管理

7.2 常见嵌入式 USB 栈

嵌入式系统中常用的 USB 栈包括：

FreeRTOS-Plus-USB：FreeRTOS 的 USB 组件
ChibiOS USB Stack：ChibiOS 实时操作系统的 USB 支持
STM32 USB Device Library：STMicroelectronics 提供的库
libusb-embedded：轻量级 USB 库

7.3 驱动实现要点

嵌入式 USB 串口驱动的实现要点：

直接操作 MCU 的 USB 控制器寄存器
实现简单的缓冲区管理机制
优化中断处理流程，减少中断延迟
适配 RTOS 的任务调度和同步机制

以下是 STM32 平台 USB 串口驱动的发送函数示例：

运行

void USB_Serial_SendData(uint8_t *data, uint16_t len)
{
    // 等待发送缓冲区可用
    while (USB_Serial_TxBufferFull);
    
    // 复制数据到发送缓冲区
    for (uint16_t i = 0; i < len; i++) {
        USB_Serial_TxBuffer[i] = data[i];
    }
    
    // 设置发送长度并触发USB发送
    USB_Serial_TxLength = len;
    USB_SendData(USB_Serial_TxBuffer, len);
}

7.4 与 MCU 串口控制器的交互

嵌入式 USB 串口驱动需要与 MCU 的 UART 控制器直接交互：

配置 UART 波特率、数据位等参数
处理 UART 接收中断，将数据转发到 USB 缓冲区
从 USB 接收缓冲区读取数据，通过 UART 发送

通常采用双缓冲区机制（乒乓缓冲区）提高数据传输效率。

八、USB 串口驱动开发实战

8.1 开发环境准备

USB 串口驱动开发需要以下工具：

操作系统开发环境：
- Linux：内核源码、GCC、Make
- Windows：Visual Studio、WDK
- 嵌入式：IDE（如 Keil、IAR）、MCU 开发板
硬件工具：
- USB 转串口芯片（如 CP2102、CH340、FT232RL）
- 逻辑分析仪（调试 USB 信号）
- 串口调试助手（验证数据传输）
文档资料：
- USB-IF 规范文档
- 芯片厂商 datasheet 和参考设计
- 操作系统驱动开发文档

8.2 驱动开发流程

USB 串口驱动的开发流程通常包括：

需求分析：
- 确定支持的 USB 版本（2.0/3.0）
- 明确支持的串口参数范围
- 定义性能指标（如最大传输速率）
方案设计：
- 选择 USB 转串口芯片
- 设计驱动架构（分层设计）
- 规划数据缓冲区大小和管理方式
代码实现：
- 设备枚举与初始化
- 数据发送与接收模块
- 串口参数配置模块
- 错误处理与恢复机制
调试测试：
- 功能测试（数据收发、参数配置）
- 性能测试（吞吐量、延迟）
- 兼容性测试（不同主机、操作系统）
- 稳定性测试（长时间运行、热插拔）

8.3 基于 CP2102 的驱动开发实例

以 Silicon Labs 的 CP2102 芯片为例，其驱动开发关键步骤：

芯片初始化：
- 配置 CP2102 的 USB 参数（VID/PID）
- 设置 UART 波特率和数据格式
- 初始化芯片内部寄存器
USB 描述符定义：
- 设备描述符（Device Descriptor）
- 配置描述符（Configuration Descriptor）
- 接口描述符（Interface Descriptor）
- 端点描述符（Endpoint Descriptor）
Linux 驱动实现：
- 注册 usb_serial_driver 结构体
- 实现 probe 函数，初始化 CP2102
- 实现数据收发函数，操作 CP2102 的 FIFO
Windows 驱动实现：
- 编写 INF 文件描述设备和驱动
- 实现 WDM 驱动，处理 USB 通信和串口映射