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探索 C++ 与 LibUSB：开启 USB 设备交互的奇幻之旅

article 2025/1/14 8:28:54

一、引言

在当今数字化时代，USB（通用串行总线）设备无处不在，从常见的 U 盘、鼠标、键盘，到复杂的工业数据采集设备、医疗监测仪器等，它们以方便快捷的插拔式连接，为人们的生活和工作带来了极大便利。对于开发者而言，如何在 C++ 编程环境下高效地与这些 USB 设备进行交互，挖掘其强大功能，成为了一项关键技能。而 LibUSB 作为一款广泛应用的开源跨平台 USB 库，为 C++ 开发者搭建起了一座通往 USB 设备世界的坚实桥梁。本文将深入探讨 C++ 如何借助 LibUSB 来驾驭各类 USB 设备，解锁无限可能。

二、LibUSB 概述

LibUSB 诞生的初衷是为了解决不同操作系统下 USB 设备访问的差异性问题，它提供了一套统一的、高层次的 API，让开发者能够摆脱底层操作系统 USB 驱动细节的困扰，专注于实现设备的具体功能。无论是 Windows、Linux 还是 macOS，LibUSB 都能无缝适配，极大地简化了跨平台 USB 开发的复杂性。

其核心特性包括对 USB 设备的枚举，能够精准地发现系统中连接的所有 USB 设备，并获取详细的设备信息，如设备厂商 ID、产品 ID、设备类、子类等；支持控制传输，这是 USB 传输的基础性方式，常用于设备的初始化配置、获取设备状态等操作；批量传输和中断传输也在其功能范畴之内，批量传输适用于大量数据的可靠传输，如文件传输场景，中断传输则用于对实时性有一定要求的数据交互，像鼠标、键盘的按键信息上报。凭借这些特性，LibUSB 成为了 C++ 开发者操控 USB 设备的得力助手。

三、搭建 LibUSB 开发环境

  1. 获取 LibUSB：
    • 可以直接从 LibUSB 的官方网站下载源代码压缩包，官方源通常提供了最稳定、经过严格测试的版本。对于追求前沿功能的开发者，也可以从其 GitHub 仓库克隆代码，但要留意分支的选择，一般主分支用于稳定版本，开发分支可能包含正在试验的新特性，可能存在稳定性风险。下载完成后，解压到本地指定目录。
  2. 在 Windows 下配置：
    • 首先需要安装 MinGW 或 Visual Studio 等编译工具链。以 Visual Studio 为例，打开项目解决方案，将 LibUSB 的源文件添加到工程中，同时在项目属性设置中，配置包含目录指向 LibUSB 解压后的头文件路径，库目录指向编译生成的库文件路径，并且在链接器选项中添加对 LibUSB 库文件（如 libusb.lib）的引用。还需注意，由于 Windows 系统对 USB 设备访问权限有一定限制，通常需要安装额外的驱动程序，如 WinUSB 驱动，来赋予应用程序对特定 USB 设备的访问权，这可以通过微软官方提供的工具或一些第三方驱动安装工具来完成。
  3. 在 Linux 下安装：
    • 对于大多数基于 Debian 或 Ubuntu 的系统，可以直接使用包管理器进行安装，执行命令 “sudo apt-get install libusb - 1.0 - 0 - dev”，这将自动下载并安装 LibUSB 开发包，包括头文件和库文件，系统会将其放置在标准的系统目录下，开发时只需在编译命令中添加 -lusb - 1.0 选项即可链接到库。对于基于 Red Hat 或 CentOS 的系统，类似地使用 yum 包管理器，执行 “yum install libusb1 - dev” 进行安装。另外，在一些嵌入式 Linux 系统中，可能需要手动交叉编译 LibUSB，此时要根据目标系统的架构和编译器版本，合理配置交叉编译工具链，确保生成的库能在目标系统上正常运行。
  4. 在 macOS 下集成：
    • macOS 自带了一定的 USB 支持，但 LibUSB 提供了更强大灵活的功能。通过 Homebrew 包管理器安装最为便捷，执行 “brew install libusb”，Homebrew 会自动处理依赖关系，下载、编译并安装 LibUSB。安装完成后，在 Xcode 项目设置中，如同在其他平台一样，添加头文件搜索路径和库文件链接，便可开启 LibUSB 开发之旅。不过，与 Windows 类似，macOS 对某些 USB 设备访问也有一定权限管控，可能需要在系统偏好设置或通过代码申请权限，以确保程序能顺利与 USB 设备通信。

四、LibUSB 基础 API 详解

  1. 初始化与退出：
    • 在使用 LibUSB 前，必须先调用 libusb_init() 函数进行初始化，它负责设置 LibUSB 库的内部状态，加载必要的系统资源，为后续的设备操作做好铺垫。这个函数通常在程序启动阶段调用，且只需要调用一次。与之对应的是 libusb_exit()，当程序结束对 USB 设备的操作，准备退出时，调用该函数来释放之前初始化占用的资源，包括关闭与系统 USB 层的连接、清理内存等，确保系统的稳定性和资源的合理利用。
  2. 设备枚举：
    • libusb_get_device_list() 是枚举 USB 设备的关键函数，它返回一个指向 libusb_device 结构体链表的指针，链表中的每个节点代表一个系统中检测到的 USB 设备。通过遍历这个链表，结合 libusb_get_device_descriptor() 函数获取设备描述符，开发者可以提取出诸如设备的厂商 ID（VID）、产品 ID（PID）、设备类、子类、协议版本等重要信息。这些信息就如同设备的 “身份证”，对于后续精准定位目标设备、判断设备类型和功能至关重要。例如，常见的 U 盘设备通常属于大容量存储类，其厂商 ID 和产品 ID 组合能够唯一确定设备的制造商和具体型号，帮助开发者针对性地进行数据传输操作。
  3. 设备打开与关闭：
    • 一旦确定了目标 USB 设备，使用 libusb_open() 函数打开设备，该函数接受一个 libusb_device 指针作为参数，成功打开后返回一个 libusb_device_handle，这是后续对设备进行读写操作的 “入场券”。在操作结束后，务必调用 libusb_close() 关闭设备，释放相关资源，防止资源泄漏，就如同进出房间要随手关门一样，保持系统资源管理的良好秩序。
  4. 控制传输：
    • 控制传输是 USB 传输的基础形式，常用于设备的初始化配置、获取设备状态等关键操作。libusb_control_transfer() 函数承担此重任，它允许开发者向设备发送特定的控制命令。其参数包括设备句柄、请求类型（如标准请求、类特定请求等，决定了命令的性质和用途）、请求码（具体的操作指令，不同设备有不同的定义，需参考设备的技术文档）、数据传输方向（是主机向设备发送数据，还是设备向主机返回数据）、数据缓冲区指针以及缓冲区长度等。例如，在初始化一个新连接的 USB 摄像头时，可能需要通过控制传输发送一系列设置参数，如分辨率、帧率、图像格式等指令，让摄像头按照预期工作。
  5. 批量传输：
    • 批量传输用于大量数据的可靠传输，特别适合像文件传输、数据采集等场景。libusb_bulk_transfer() 函数实现这一功能，它接受设备句柄、端点地址（USB 设备端点分为输入端点和输出端点，不同端点负责不同的数据流向，端点地址标识了数据传输的出入口）、数据缓冲区指针、缓冲区长度以及传输超时时间等参数。以 U 盘读写为例，当向 U 盘写入一个大文件时，将文件数据按块填充到缓冲区，通过批量传输函数将数据发送到 U 盘对应的输出端点，U 盘接收数据后进行存储；读取文件时，则从输入端点接收数据到缓冲区，再进行后续的数据处理。
  6. 中断传输：
    • 中断传输用于对实时性有一定要求的数据交互，虽然名为 “中断”，但实际上并非真正意义上的硬件中断，而是一种定期查询式的传输方式，以保证数据的及时传递。libusb_interrupt_transfer() 函数用于执行中断传输，其参数与批量传输类似，只是端点地址对应的是中断端点。像鼠标、键盘这类人机交互设备，它们频繁地需要向主机上报按键按下、松开，鼠标移动等实时信息，通过中断传输，主机能够及时接收这些数据，快速响应，为用户提供流畅的操作体验。

五、实战：使用 C++ 和 LibUSB 与 USB 设备交互

  1. 一个简单的 USB 设备信息查询工具：
    • 首先，初始化 LibUSB：
#include <iostream>
#include <libusb - 1.0/libusb.h>

int main() {
    libusb_init(nullptr);

    libusb_device **devs;
    ssize_t count = libusb_get_device_list(nullptr, &devs);

    if (count < 0) {
        std::cerr << "Error getting device list" << std::endl;
        libusb_exit();
        return -1;
    }

    for (ssize_t i = 0; i < count; i++) {
        libusb_device_descriptor desc;
        if (libusb_get_device_descriptor(devs[i], &desc) == 0) {
            std::cout << "Device " << i << ":\n";
            std::cout << "Vendor ID: 0x" << std::hex << desc.idVendor << std::endl;
            std::cout << "Product ID: 0x" << std::hex << desc.idProduct << std::endl;
            std::cout << "Device Class: " << std::dec << (int)desc.bDeviceClass << std::endl;
        }
    }

    libusb_free_device_list(devs, 1);
    libusb_exit();

    return 0;
}
  • 上述代码先初始化 LibUSB，接着枚举系统中的 USB 设备，获取每个设备的描述符并打印出厂商 ID、产品 ID 和设备类等关键信息，最后释放设备列表资源并退出 LibUSB。这是一个基础的应用，能够帮助开发者快速了解系统中连接的 USB 设备概况，为后续针对性开发奠定基础。
  1. 与自定义 USB 设备通信：
    • 假设我们有一个自定义的 USB 数据采集设备，它用于采集环境中的温度、湿度数据，并通过 USB 传输回主机。设备定义了特定的控制命令用于初始化和启动采集，以及批量传输端点用于数据回传。
    • 首先进行设备初始化：
libusb_device_handle *handle;
libusb_device **devs;
ssize_t count = libusb_get_device_list(nullptr, &devs);

for (ssize_t i = 0; i < count; i++) {
    libusb_device_descriptor desc;
    if (libusb_get_device_descriptor(devs[i], &desc) == 0) {
        if (desc.idVendor == MY_VENDOR_ID && desc.idProduct == MY_PRODUCT_ID) {
            if (libusb_open(devs[i], &handle) == 0) {
                break;
            }
        }
    }
}

if (handle == nullptr) {
    std::cerr << "Failed to open device" << std::endl;
    libusb_free_device_list(devs, 1);
    libusb_exit();
    return -1;
}

// 发送初始化命令
uint8_t init_cmd[] = {0x01, 0x00, 0x00};
int ret = libusb_control_transfer(handle, LIBUSB_REQUEST_TYPE_VENDOR, MY_INIT_CMD_CODE,
                                  LIBUSB_ENDPOINT_OUT, init_cmd, sizeof(init_cmd));
if (ret < 0) {
    std::cerr << "Error sending init command" << std::endl;
    libusb_close(handle);
    libusb_free_device_list(devs, 1);
    libusb_exit();
    return -1;
}
  • 这里通过枚举找到自定义设备，打开后发送初始化命令。接着进行数据采集：
uint8_t data_buffer[64];
while (true) {
    ret = libusb_bulk_transfer(handle, MY_DATA_ENDPOINT_IN, data_buffer, sizeof(data_buffer),
                               &actual_length, 1000);
    if (ret == 0) {
        // 解析数据缓冲区中的温度、湿度数据，这里省略具体解析代码
        std::cout << "Received data: ";
        for (int i = 0; i < actual_length; i++) {
            std::cout << std::hex << (int)data_buffer[i] << " ";
        }
        std::cout << std::endl;
    } else if (ret == LIBUSB_ERROR_TIMEOUT) {
        std::cout << "Timeout waiting for data" << std::endl;
    } else {
        std::cerr << "Error in bulk transfer" << std::endl;
        break;
    }
}
  • 通过循环调用批量传输函数，从设备接收数据并解析，实现对环境数据的持续采集。最后，不要忘记关闭设备和清理资源：
libusb_close(handle);
libusb_free_device_list(devs, 1);
libusb_exit();

六、高级主题与优化技巧

  1. 异步操作：
    • 在一些对实时性和响应速度要求极高的场景，如实时视频采集、高速数据传输等，同步操作可能导致主线程阻塞，影响整体性能。LibUSB 支持异步操作模式，通过 libusb_submit_transfer() 函数提交传输请求，将传输过程放在后台线程执行，主线程可以继续处理其他任务。开发者需要结合回调函数，当传输完成或出现错误时，回调函数被触发，在回调函数中处理数据接收、错误处理等后续事宜。例如，在一个多摄像头视频监控系统中，使用异步传输可以让每个摄像头的数据采集互不干扰，确保视频流的流畅性，同时主线程还能及时响应系统的其他操作指令，如用户界面交互、存储管理等。
  2. 多线程与 LibUSB：
    • 合理利用多线程技术可以进一步提升 LibUSB 的使用效率。可以创建专门的线程负责 USB 设备的枚举、打开、关闭等操作，另一些线程专注于数据传输任务。但要注意线程同步问题，由于 LibUSB 内部资源的共享性，多个线程同时访问 USB 设备可能导致数据冲突、资源竞争等问题。使用互斥锁、信号量等同步机制可以有效避免这些问题，确保每个线程安全有序地访问 USB 资源。比如，在一个工业自动化控制系统中，一个线程负责与传感器类 USB 设备通信采集数据，另一个线程负责将处理后的数据通过 USB 传输到上位机，通过合理的线程同步，保证整个系统稳定高效运行。
  3. 错误处理与调试：
    • LibUSB 函数在执行过程中可能出现各种错误，如设备未找到、权限不足、传输超时等。完善的错误处理机制至关重要，对于每个 LibUSB 函数调用，都要仔细检查返回值，根据返回的错误码，结合 LibUSB 提供的错误码定义文档，精准定位问题并采取相应的解决措施。在调试方面，LibUSB 提供了一些辅助调试工具，如在初始化时设置调试级别，通过 libusb_set_debug() 函数，可以让 LibUSB 在控制台输出详细的调试信息，包括设备枚举过程、传输细节等，帮助开发者深入了解程序运行状态，快速排查故障。
  4. 与其他库和框架结合：
    • 在实际项目中，LibUSB 常常需要与其他库和框架协同工作。例如，在图形用户界面（GUI）应用中，结合 Qt 库，一方面使用 LibUSB 与 USB 设备交互获取数据，另一方面利用 Qt 的界面组件将数据可视化展示给用户，实现数据采集与展示的无缝对接。又如，在音频处理项目中，与音频处理库如 PortAudio 配合，通过 LibUSB 从 USB 音频设备采集音频数据，再交给 PortAudio 进行格式转换、特效处理等后续操作，打造出功能强大的音频应用系统。开发者需要深入了解不同库的特性和接口规范，合理设计架构，实现高效集成。

七、结论

C++ 与 LibUSB 的结合为开发者打开了一扇通往 USB 设备无限可能的大门。从基础的设备枚举、信息获取，到复杂的控制传输、批量与中断传输操作，再到高级的异步处理、多线程优化以及与其他库的融合，LibUSB 提供了全面而强大的工具集。无论是开发消费级电子产品、工业自动化系统，还是医疗、科研等专业领域的设备软件，掌握 C++ 与 LibUSB 的协同使用，都将助力开发者乘风破浪，驾驭 USB 设备，创造出更多创新、高效的应用解决方案，满足不断发展的科技需求。随着 USB 技术的不断演进，如 USB 4.0 带来的更高速度、更强功能，LibUSB 也将持续更新完善，为 C++ 开发者持续赋能，续写 USB 开发的精彩篇章。


http://www.kler.cn/a/501927.html

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