USB转串口Linux驱动编写实战案例解析

从零构建 USB 转串口 Linux 驱动：一次深入内核的实战之旅

你有没有遇到过这样的场景？手头有个老旧的 GPS 模块、PLC 控制器或者单片机开发板，只支持 RS232 串口通信。而你的现代笔记本早已砍掉了 COM 口，只剩下几个 USB 接口。这时候，一个小小的“USB 转 TTL”小板就成了救命稻草。

但你知道吗？当你把那根线插上去，系统自动出现/dev/ttyUSB0的那一刻，背后其实是一场精密的内核协作——Linux 内核正在悄悄加载一个 USB 驱动，把它伪装成一个标准串口设备。这不仅仅是“即插即用”那么简单，它涉及 USB 协议解析、数据包调度、TTY 抽象建模等多重机制的协同工作。

今天，我们就来亲手揭开这个黑盒，带你一步步实现一个真实的USB 转串口驱动，不只是调 API，而是理解每一步背后的逻辑与设计哲学。

为什么需要写内核态驱动？

在开始编码前，先问自己一个问题：能不能不用内核驱动，直接在用户空间读写 USB 设备？

当然可以！像libusb这样的库就允许你在用户态发送控制请求、收发数据。但问题也随之而来：

• 如何让minicom、screen或 Python 的pyserial库识别它？
• 如何支持波特率设置、奇偶校验这些传统串口概念？
• 如何保证高负载下的稳定传输，避免丢包？

答案是：你需要一套统一的抽象层。这就是TTY 子系统存在的意义。只有将 USB 设备注册为 TTY，才能无缝接入整个 Linux 串行生态。

所以，真正的 USB 转串口驱动，必须运行在内核态，作为桥梁连接两个世界：
- 向上对接TTY 子系统
- 向下操作USB 子系统

我们不是在“使用”驱动，而是在“成为”驱动开发者。

第一步：让内核认识你的设备 —— USB 设备匹配机制

当 USB 设备插入主机时，内核会通过描述符获取它的身份信息。其中最关键的就是Vendor ID（VID） 和 Product ID（PID）。

比如常见的 Prolific PL2303 芯片，其 VID=0x067B，PID=0x2303。我们的驱动首先要声明：“我认得这个设备”。

static const struct usb_device_id pl2303_table[] = { { USB_DEVICE(0x067B, 0x2303) }, /* Prolific PL2303 */ { USB_DEVICE(0x0403, 0x6001) }, /* FTDI FT232 (示例扩展) */ { } /* 终止项 */ }; MODULE_DEVICE_TABLE(usb, pl2303_table);

接着，定义一个标准的usb_driver结构体：

static struct usb_driver pl2303_driver = { .name = "pl2303_custom", .probe = pl2303_probe, .disconnect = pl2303_disconnect, .id_table = pl2303_table, .supports_autosuspend = 1, };

注意.probe和.disconnect回调函数。一旦 VID/PID 匹配成功，内核就会调用pl2303_probe()函数，这是你初始化一切资源的起点。

💡 小贴士：如果你的设备插上后dmesg | grep usb显示 “unknown device”，第一反应应该是检查是否漏加了对应的 VID/PID 条目。

第二步：探针函数里发生了什么？—— probe 流程拆解

probe()是整个驱动的生命入口。它的任务很明确：确认设备可用性 → 分配资源 → 注册为 TTY 设备。

1. 获取接口和端点信息

USB 设备的功能由“接口”（interface）定义。对于串口桥接芯片，通常使用批量传输端点进行收发。

static int pl2303_probe(struct usb_interface *intf, const struct usb_device_id *id) { struct usb_device *dev = interface_to_usbdev(intf); struct usb_host_interface *iface_desc = intf->cur_altsetting; struct usb_endpoint_descriptor *ep_in, *ep_out; int i; /* 查找输入/输出端点 */ for (i = 0; i < iface_desc->desc.bNumEndpoints; ++i) { struct usb_endpoint_descriptor *ep = &iface_desc->endpoint[i].desc; if (usb_endpoint_is_bulk_in(ep)) ep_in = ep; else if (usb_endpoint_is_bulk_out(ep)) ep_out = ep; } if (!ep_in || !ep_out) return -ENODEV;

这里我们遍历当前接口的所有端点，找到用于接收（IN）和发送（OUT）的批量端点地址。后续 URB 传输将基于这些地址构造管道（pipe）。

2. 分配私有结构体与 TTY 端口

Linux 提供了一个通用框架usb-serial来简化这类驱动开发。我们可以继承struct usb_serial_port，并在其中嵌入自己的状态字段。

struct usb_serial *serial; struct usb_serial_port *port; serial = usb_serial_probe(intf, id); // 使用通用探测流程 if (!serial) return -ENOMEM; port = serial->port[0]; port->bulk_in_size = le16_to_cpu(ep_in->wMaxPacketSize); port->bulk_in_endpointAddress = ep_in->bEndpointAddress; port->bulk_out_endpointAddress = ep_out->bEndpointAddress;

usb_serial_probe()实际上完成了大部分基础工作：内存分配、设备绑定、TTY 驱动注册准备。我们只需填充关键参数即可。

第三步：打通数据通道 —— URB 异步传输机制详解

URB（USB Request Block）是 Linux 中所有 USB 数据传输的核心载体。你可以把它想象成一封“快递单”：指明目的地（端点）、包裹内容（缓冲区）、送达方式（同步/异步），以及签收后的回调动作。

发送数据：从 write() 到 URB 提交

当用户程序调用write("/dev/ttyUSB0", buf, len)，最终会触发驱动中的write()回调函数。我们需要做的是：

1. 拷贝用户数据到内核缓冲区；
2. 构造 OUT 方向的 URB；
3. 提交至 USB 核心层。

static int pl2303_write(struct tty_struct *tty, struct usb_serial_port *port, const unsigned char *buf, int count) { struct urb *urb = port->write_urb; unsigned char *transfer_buffer = urb->transfer_buffer; if (!count || !test_bit(USB_SERIAL_ACTIVE, &port->flags)) return 0; count = min(count, urb->transfer_buffer_length); memcpy(transfer_buffer, buf, count); usb_fill_bulk_urb(urb, port->serial->dev, usb_sndbulkpipe(port->serial->dev, port->bulk_out_endpointAddress), transfer_buffer, count, pl2303_write_bulk_callback, port); return usb_submit_urb(urb, GFP_ATOMIC); }

关键点说明：

• usb_sndbulkpipe(dev, addr)：构造一个指向 OUT 批量端点的数据管道。
• usb_fill_bulk_urb()：初始化 URB，设定缓冲区、长度、回调函数。
• GFP_ATOMIC：因为在原子上下文中（如中断处理），不能睡眠。

提交成功后，数据并不会立即发出，而是排队等待主机控制器调度。一旦完成，pl2303_write_bulk_callback将被调用。

接收数据：永远在线的 IN URB 循环

接收比发送更复杂，因为数据到来不可预测。解决办法是：始终保持一个挂起的 IN URB，随时准备接住飞来的数据包。

static void start_read(struct usb_serial_port *port) { struct urb *urb = port->read_urb; int result; if (!urb || !port->bulk_in_size) return; usb_fill_bulk_urb(urb, port->serial->dev, usb_rcvbulkpipe(port->serial->dev, port->bulk_in_endpointAddress), port->read_buffer, port->bulk_in_size, pl2303_read_bulk_callback, port); result = usb_submit_urb(urb, GFP_KERNEL); if (result) { dev_err(&port->dev, "Failed to submit read URB: %d\n", result); schedule_delayed_work(&port->work, HZ); // 稍后重试 } }

重点来了：在pl2303_read_bulk_callback中，必须立刻重新提交这个 URB，否则下次数据来了没人接！

static void pl2303_read_bulk_callback(struct urb *urb) { struct usb_serial_port *port = urb->context; unsigned char *data = urb->transfer_buffer; int status = urb->status; switch (status) { case 0: /* 成功接收，将数据推送给 TTY 层 */ tty_insert_flip_string(&port->port, data, urb->actual_length); tty_flip_buffer_push(&port->port); break; case -ECONNRESET: case -ENOENT: case -ESHUTDOWN: return; /* 断开或关闭，不再重提 */ default: dev_dbg(&port->dev, "Non-zero read bulk status received: %d\n", status); break; } /* 关键！继续监听下一笔数据 */ start_read(port); }

tty_insert_flip_string()是 TTY 子系统的专用接口，用于将接收到的数据暂存到翻转缓冲区（flip buffer），再由内核线程异步刷出到用户空间。

第四步：串口参数配置 —— set_termios 的艺术

串口通信离不开波特率、数据位、校验方式等设置。这些都封装在struct ktermios中，并通过set_termios()回调传递给驱动。

static void pl2303_set_termios(struct tty_struct *tty, struct usb_serial_port *port, const struct ktermios *old_termios) { struct usb_device *dev = port->serial->dev; unsigned int baud_rate; uint8_t config; /* 获取新波特率 */ baud_rate = tty_get_baud_rate(tty); if (!baud_rate) baud_rate = 9600; /* 向设备发送控制命令更新波特率 */ pl2303_set_baud_rate(dev, baud_rate); /* 构建数据格式字节：数据位 + 停止位 + 校验 */ config = 0; switch (C_CSIZE(tty)) { case CS5: config |= 0x00; break; case CS6: config |= 0x01; break; case CS7: config |= 0x02; break; case CS8: config |= 0x03; break; } if (C_STOPB(tty)) config |= 0x04; /* 两位停止位 */ if (C_PARENB(tty)) { config |= 0x08; if (C_PARODD(tty)) config |= 0x10; } pl2303_set_data_config(dev, config); }

不同芯片的控制协议各不相同。例如 PL2303 使用特定的SET_LINE_CODING控制传输请求：

static int pl2303_set_baud_rate(struct usb_device *dev, unsigned int baud) { return usb_control_msg(dev, usb_sndctrlpipe(dev, 0), 0x20, /* SET_LINE_REQUEST */ 0x40, /* Vendor-specific request */ baud & 0xff, (baud >> 8) & 0xff, NULL, 0, 100); }

⚠️ 注意事项：
- 某些芯片对波特率有严格限制（如仅支持标准值），需查表转换；
- 控制请求的目标端点通常是端点 0（控制端点）；
- 请求类型（bmRequestType）和值（bRequest）需查阅芯片手册。

常见坑点与调试秘籍

即使代码逻辑正确，实际调试中仍可能踩坑。以下是几个高频问题及应对策略：

🔴 问题一：插入多次后设备失效

现象：第一次能用，拔掉再插就打不开/dev/ttyUSB0。

原因：disconnect()函数未彻底释放资源，导致引用计数泄漏。

解决方案：
- 确保每个kzalloc()都有对应的kfree()；
- 使用kref或completion机制等待异步操作结束后再释放；
- 在disconnect中取消所有 pending URB：usb_kill_anchored_urbs()。

🟡 问题二：接收数据乱码或丢包

现象：偶尔收到错误数据，或连续数据流中丢失部分帧。

排查方向：
1.波特率是否匹配？特别是国产 CH340 系列，晶振偏差可能导致非标准波特率失准。
2.IN URB 是否及时重提？若回调中未立即重启接收，可能错过下一包。
3.缓冲区是否足够大？批量传输最大包长一般为 64 字节（低速）或 512 字节（高速），应据此设置缓冲区。

🟢 调试利器推荐

开启详细日志也很重要：

#define DEBUG module_param_named(debug, pl2303_debug, bool, S_IRUGO | S_IWUSR);

配合dev_dbg()输出关键路径信息，在复杂环境中快速定位瓶颈。

最终整合：模块初始化与退出

最后别忘了注册和注销驱动模块：

static int __init pl2303_init(void) { int retval; retval = usb_register(&pl2303_driver); if (retval) err("usb_register failed: %d", retval); return retval; } static void __exit pl2303_exit(void) { usb_deregister(&pl2303_driver); } module_init(pl2303_init); module_exit(pl2303_exit); MODULE_LICENSE("GPL"); MODULE_AUTHOR("Your Name"); MODULE_DESCRIPTION("Custom PL2303 USB-to-Serial Driver");

编译依赖也别落下：

obj-m += pl2303_custom.o KDIR := /lib/modules/$(shell uname -r)/build all: $(MAKE) -C $(KDIR) M=$(PWD) modules clean: $(MAKE) -C $(KDIR) M=$(PWD) clean

加载测试：

sudo insmod pl2303_custom.ko dmesg | tail ls /dev/ttyUSB*

写在最后：驱动开发的本质是什么？

编写 USB 转串口驱动，表面上是在填函数、配端点、发 URB。但深入下去你会发现，这其实是对Linux 内核设备模型的一次系统性实践。

你学会了：
- 如何利用设备树思想匹配硬件；
- 如何借助通用框架（usb-serial）减少重复劳动；
- 如何运用异步回调机制构建高效 I/O；
- 如何通过TTY 抽象对接上层应用生态。

更重要的是，你开始理解：操作系统是如何把千差万别的物理设备，统一成简洁一致的编程接口的。

未来无论是开发 I2C 传感器驱动、自定义 HID 设备，还是研究 USB PD 协议栈，这条路都会为你铺平基础。

如果你也在调试某个奇怪的 USB 转串口模块，或者遇到了无法识别的变种芯片，不妨动手改改设备 ID 表，甚至定制自己的控制协议。毕竟，真正的工程师，不仅要会用工具，更要能创造工具。

欢迎在评论区分享你的驱动实战经历，我们一起破解更多硬件谜题。