SEP6200平臺(tái)上Linux內(nèi)核的USB OTG驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

摘要：為了滿足兩個(gè)USB設(shè)備之間直接進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的需求，通過(guò)對(duì)現(xiàn)有USB OTG協(xié)議和相關(guān)應(yīng)用的研究，在國(guó)產(chǎn)SoC芯片SEP6200平臺(tái)上設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于Linux內(nèi)核的USB OTG模塊驅(qū)動(dòng)。首先介紹了OTG標(biāo)準(zhǔn)中的對(duì)話請(qǐng)求協(xié)議(SRP)和主機(jī)交換協(xié)議(HNP)，然后制定并設(shè)計(jì)了基于USB控制芯片USB3343的硬件模塊方案，最后根據(jù)Linux內(nèi)核中已有的USB驅(qū)動(dòng)架構(gòu)完成了USB OTG設(shè)備驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)，并最終實(shí)現(xiàn)了SEP6200嵌入式平臺(tái)USB Host和Device角色的自由轉(zhuǎn)換功能。
關(guān)鍵詞：USB OTG；SEP6200；USB3343；Linux；設(shè)備驅(qū)動(dòng)

引言
    傳統(tǒng)的USB協(xié)議(USB 2．0)規(guī)定了兩個(gè)設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通信時(shí)，必須有一個(gè)Host設(shè)備作為固定的主機(jī)，通過(guò)這個(gè)主機(jī)來(lái)控制設(shè)備問(wèn)的數(shù)據(jù)傳輸。在日常應(yīng)用中，基本都是將USB設(shè)備連接到PC，并在PC的控制下進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。這種交換方式，一旦離開(kāi)了PC，各設(shè)備間就無(wú)法利用USB口進(jìn)行直接操作。隨著嵌入式設(shè)備的快速發(fā)展，兩個(gè)USB設(shè)備之間直接進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的需求變得越來(lái)越迫切。USB On—The—Go(USB OTG)技術(shù)便應(yīng)運(yùn)而生。OTG技術(shù)實(shí)現(xiàn)了在沒(méi)有Host的情況下，設(shè)備之間點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的數(shù)據(jù)控制與傳輸。本文通過(guò)研究USB 2．0協(xié)議和USB OTG補(bǔ)充規(guī)范，結(jié)合具體應(yīng)用需求，建立了基于國(guó)產(chǎn)SoC的嵌入式USB OTG模塊硬件平臺(tái)，并在Linux操作系統(tǒng)平臺(tái)上設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于國(guó)產(chǎn)內(nèi)核主控芯片SEP6200的USB OTG設(shè)備驅(qū)動(dòng)。

1 USB OTG協(xié)議與實(shí)現(xiàn)方式概述
    USB OTG標(biāo)準(zhǔn)在完全兼容USB2．0標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，增添了電源管理(節(jié)省功耗)功能，并可提供一定的主機(jī)檢測(cè)能力，支持對(duì)話請(qǐng)求協(xié)議(SRP)和主機(jī)交換協(xié)議(HNP)。在OTG中，初始主機(jī)設(shè)備稱為A—device，外設(shè)稱為B—device。
    對(duì)話請(qǐng)求協(xié)議(Session Request Protocol，SRP)：為了節(jié)省功耗，A—device在總線不被使用時(shí)允許VBUS總線關(guān)斷，此時(shí)B設(shè)備就會(huì)檢測(cè)到該狀態(tài)并進(jìn)入功低耗模式。當(dāng)外部B—device需要向A—device發(fā)起對(duì)話時(shí)，它會(huì)通過(guò)SRP向A—device發(fā)出申請(qǐng)，請(qǐng)求A—device向VBUS供電并啟動(dòng)一次對(duì)話。對(duì)話將隨VBUS的開(kāi)啟而開(kāi)始，隨VBUS的關(guān)閉而結(jié)束。
    主機(jī)交換協(xié)議(Host Negotiation Protocol，HNP)：該協(xié)議允許兩個(gè)直接相連的OTG設(shè)備進(jìn)行主機(jī)Host功能的切換，它能夠根據(jù)電纜的連接方式來(lái)決定初始化角色，從而允許設(shè)備在通信時(shí)能夠改變控制信號(hào)。當(dāng)用戶模式或應(yīng)用程序下B—device有輸入時(shí)，HNP將作初始響應(yīng)。
    OTG兩用設(shè)備使用新型mini—AB插座，從而使mini—A插頭、mini—B插頭和mini—AB插座增添了第5個(gè)引腳(ID)，以用于識(shí)別不同的電纜端點(diǎn)。mini—A插頭中的ID引腳接地，mini—B插頭中的ID引腳浮空。當(dāng)OTG設(shè)備檢測(cè)到接地的ID引腳時(shí)，表示默認(rèn)的是A—device(主機(jī))；而檢測(cè)到ID引腳浮著的設(shè)備，則認(rèn)為是B—device(外設(shè))。系統(tǒng)一旦連接后，OTG的角色還可以更換。A-Device作為默認(rèn)主機(jī)并提供VBUS電源，并在檢測(cè)到有設(shè)備連接時(shí)復(fù)位總線、枚舉并配置B-device。

2 USB OTG模塊硬件方案
    為了后期USB OTG驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)需要，首先對(duì)OTG硬件模塊作一些簡(jiǎn)單的介紹。本文設(shè)計(jì)的USB OTG模塊在硬件上由主控芯片SEP6200以及USB控制芯片USB3343構(gòu)成。SEP6200是東南大學(xué)國(guó)家ASIC工程中心自主研發(fā)的一款定位于手持視頻播放設(shè)備、衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)品的高性能應(yīng)用處理器，它內(nèi)部集成了ULPI總線接口，支持SRP和HNP協(xié)議，擁有USB2．0 OTG功能。USB控制芯片USB3343是SMSC公司生產(chǎn)的一款高速USB收發(fā)器，支持主機(jī)、設(shè)備和OTG三種功能，非常適合用于要求低功耗工作和待機(jī)工作的便攜式設(shè)備。SEP6200內(nèi)部的OTG Controller和USB3343之間通過(guò)otg_transceiver接口來(lái)完成交互。
    在本模塊中，SEP6200處理器通過(guò)自帶的ULPI接口與USB3343進(jìn)行連接和通信，而USB3343收發(fā)控制器則是通過(guò)外接USB MiniAB插座與外部USB設(shè)備進(jìn)行連接。其硬件連接結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

    此硬件平臺(tái)以SEP6200處理器為核心，處理器除了ULPI接口的12根總線與USB3343相連接外，另外分別通過(guò)兩根GPIO接口線來(lái)控制實(shí)現(xiàn)OTG的低功耗功能。其中一根(GPIO_RESETB)用來(lái)對(duì)USB3343進(jìn)行軟件復(fù)位，另一根(GPIO_EN)用來(lái)控制對(duì)VBUS總線供電。當(dāng)核心板作為device與PC進(jìn)行連接時(shí)，軟件檢測(cè)到ID信號(hào)狀態(tài)為浮空后將GPIO_EN引腳置0，切斷電源模塊，使5 V供電電壓與VBUS總線隔絕。相反，當(dāng)核心板作為Host與U盤(pán)等外設(shè)進(jìn)行通信時(shí)，軟件檢測(cè)到ID信號(hào)狀態(tài)為接地，然后將GPIO_EN引腳置位，通過(guò)電源使能模塊將5 V電壓加載到VBUS總線上，實(shí)現(xiàn)核心板作為主機(jī)對(duì)外設(shè)進(jìn)行供電，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)外部設(shè)備的檢測(cè)和枚舉等后續(xù)操作。

3 USB OTG驅(qū)動(dòng)架構(gòu)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
3．1 OTG設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序架構(gòu)
    本設(shè)計(jì)的軟件驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)基于Linux操作系統(tǒng)平臺(tái)。作為開(kāi)源操作系統(tǒng)，Linux有良好的兼容性和強(qiáng)大的USB技術(shù)支持。OTG設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序主要由USB目標(biāo)設(shè)備軟件包和USB主設(shè)備軟件包構(gòu)成。OTG驅(qū)動(dòng)通過(guò)連接器中“ID”信號(hào)的不同連接，根據(jù)SRP和HNP協(xié)議的內(nèi)部機(jī)制，確定使用USB主設(shè)備軟件包還是USB目標(biāo)設(shè)備軟件包。圖2是OTG沒(méi)備驅(qū)動(dòng)程序架構(gòu)框圖。

    當(dāng)OTG設(shè)備以從機(jī)方式工作時(shí)，USB目標(biāo)設(shè)備功能模塊工作。目標(biāo)設(shè)備控制驅(qū)動(dòng)完成USB目標(biāo)設(shè)備軟件包與OTG硬件問(wèn)的數(shù)據(jù)交換。USB協(xié)議層完成USB協(xié)議規(guī)范，USB目標(biāo)設(shè)備類(lèi)驅(qū)動(dòng)的功能取決于OTG設(shè)備的功能。
    當(dāng)OTG設(shè)備以主機(jī)方式工作時(shí)，USB主設(shè)備功能模塊丁作。主控制驅(qū)動(dòng)完成USB主設(shè)備軟件包與OTG硬件間的數(shù)據(jù)交換，USB總線驅(qū)動(dòng)保存設(shè)備的信息。OTG提供通用的主設(shè)備類(lèi)驅(qū)動(dòng)程序，驅(qū)動(dòng)支持的這些目標(biāo)主設(shè)備包含在目標(biāo)設(shè)備的列表里。
    基于以上分析，驅(qū)動(dòng)軟件設(shè)計(jì)的總體任務(wù)主要分為：USB從機(jī)設(shè)備驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)、USB主機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)以及USB OTG驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)。其中從機(jī)設(shè)備驅(qū)動(dòng)模塊和主機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)模塊互相獨(dú)立，OTG驅(qū)動(dòng)依賴于從機(jī)設(shè)備驅(qū)動(dòng)和主機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)。
3．2 USB從機(jī)設(shè)備驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)
    基于SEP6200的核心板系統(tǒng)在作為USB從機(jī)設(shè)備時(shí)，要應(yīng)答PC主機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)請(qǐng)求，處理USB總線事務(wù)和用戶功能。因此從機(jī)驅(qū)動(dòng)包括3層：UD C驅(qū)動(dòng)程序、Gadget驅(qū)動(dòng)程序和Gadget API。UDC驅(qū)動(dòng)程序負(fù)責(zé)直接訪問(wèn)硬件，控制USB設(shè)備與主機(jī)間的底層通信，向上層提供與硬件相關(guān)操作的回調(diào)函數(shù)。Gadget驅(qū)動(dòng)程序具體控制USB設(shè)備功能的實(shí)現(xiàn)。Gadget API則是提供給UDC驅(qū)動(dòng)程序回調(diào)函數(shù)的簡(jiǎn)單封裝。
    Linux內(nèi)核首先通過(guò)musb_init_controller()函數(shù)初始化USB設(shè)備控制器，OTG驅(qū)動(dòng)提供的狀態(tài)機(jī)根據(jù)硬件信息將USB OTG工作模式配置成從機(jī)模式。接著內(nèi)核會(huì)初始化Gadget驅(qū)動(dòng)，完成Gadget驅(qū)動(dòng)和UDC驅(qū)動(dòng)的綁定，并配置控制器使其開(kāi)始工作。然后調(diào)用底層GadgetAPI函數(shù)來(lái)激活端點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。USBOTG定義了三個(gè)端點(diǎn)；程序中定義端點(diǎn)0在控制傳輸中應(yīng)答設(shè)備枚舉，端點(diǎn)1的功能為向PC機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，端點(diǎn)2的功能為接收PC機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)。最后，通過(guò)中斷響應(yīng)和中斷處理函數(shù)來(lái)完成核心板作為設(shè)備與PC機(jī)的通信操作。內(nèi)核使用struct musb結(jié)構(gòu)體描述UCD驅(qū)動(dòng)實(shí)例的各種信息。
3．3 USB主機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)
    核心板系統(tǒng)的主機(jī)驅(qū)動(dòng)分為幾個(gè)部分：Host controller drive、USB core和Class driver。在本設(shè)計(jì)中，Hostcontroiler drive與所應(yīng)用的USB主控芯片USB3343相關(guān)，而USB Core和Class driver在Linux內(nèi)核中提供了相應(yīng)的支持。
    Linux內(nèi)核使用usb_hcd結(jié)構(gòu)描述USB主機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)Host controller drive。usb_hcd結(jié)構(gòu)描述了USB主機(jī)控制器的硬件信息、狀態(tài)和操作函數(shù)，其定義如下：
   
    軟件根據(jù)HNP協(xié)議執(zhí)行完所有的HNP狀態(tài)后，OTG驅(qū)動(dòng)進(jìn)入U(xiǎn)SB Host模式。在對(duì)底層硬件初始化后，注冊(cè)Hub和USB存儲(chǔ)類(lèi)設(shè)備，隨后加載hub_probe對(duì)根Hub進(jìn)行初始化和枚舉。當(dāng)外部USB設(shè)備插入后，系統(tǒng)將對(duì)USB類(lèi)設(shè)備進(jìn)行枚舉，查找對(duì)應(yīng)的USB存儲(chǔ)類(lèi)設(shè)備驅(qū)動(dòng)，并加載stora ge_probe，然后讀取插入的USB存儲(chǔ)類(lèi)設(shè)備的文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，將該存儲(chǔ)設(shè)備注冊(cè)為一個(gè)scsidisk。使用mount命令將該設(shè)備掛載到相應(yīng)目錄后，即可完成對(duì)USB存儲(chǔ)設(shè)備的讀寫(xiě)操作。
3．4 USB OTG驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)
    OTG驅(qū)動(dòng)維護(hù)著一個(gè)OTG狀態(tài)機(jī)，從而支持HNP和SRP協(xié)議，轉(zhuǎn)換主機(jī)端和設(shè)備端功能，上文中硬件狀態(tài)的檢測(cè)和驅(qū)動(dòng)模式轉(zhuǎn)化即由此實(shí)現(xiàn)。在模塊初始化的時(shí)候，首先對(duì)OTG驅(qū)動(dòng)進(jìn)行注冊(cè)，OTG驅(qū)動(dòng)將自身注冊(cè)為一個(gè)char設(shè)備。當(dāng)找到設(shè)備時(shí)，在注冊(cè)函數(shù)中執(zhí)行設(shè)備控制器驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)的probe函數(shù)，初始化OTG模塊，隨后調(diào)用中斷申請(qǐng)函數(shù)申請(qǐng)中斷，并設(shè)置相應(yīng)的中斷處理函數(shù)。在本設(shè)計(jì)中，當(dāng)有OTG中斷產(chǎn)生時(shí)，首先執(zhí)行硬件訪問(wèn)層的中斷處理函數(shù)phy3343_hal_isr()，在這個(gè)函數(shù)中讀取中斷來(lái)源，若判斷是OTG中斷，則調(diào)用OTG驅(qū)動(dòng)的中斷處理例程usb_ otg_isr()，啟動(dòng)OTG狀態(tài)機(jī)。
    OTG驅(qū)動(dòng)還需要向文件系統(tǒng)提供相應(yīng)的file operations接口，供上層的application調(diào)用，這些接口函數(shù)包括：usb_otgdev_open、usb_ otgdev_close、usb_otgdev_ioctl、usb_otgdev_fasync等。usb_otgdev_open函數(shù)負(fù)責(zé)OTGapplication在打開(kāi)OTG設(shè)備文件時(shí)，通過(guò)Linux文件系統(tǒng)接口調(diào)用該函數(shù)，進(jìn)行OTG驅(qū)動(dòng)自身參數(shù)的初始化；usb_otgdev_close函數(shù)負(fù)責(zé)OTG application在關(guān)閉OTG設(shè)備文件時(shí)，通過(guò)Linux文件系統(tǒng)接口調(diào)用該函數(shù)，進(jìn)行OTG驅(qū)動(dòng)自身參數(shù)重啟；usb_otgdev_ioctl函數(shù)是在OTGapplication調(diào)用OTG設(shè)備文件的ioctl函數(shù)時(shí)，Linux文件系統(tǒng)接口調(diào)用該函數(shù)；usb_otgdev_fasync函數(shù)則是當(dāng)OTG的application設(shè)置或者重設(shè)異步通知時(shí)，對(duì)該函數(shù)進(jìn)行調(diào)用，當(dāng)異步通知模式設(shè)置成功返回值為0，失敗時(shí)返回負(fù)值。
    Linux內(nèi)核中通過(guò)定義struet otg_transceiver結(jié)構(gòu)體，提供給開(kāi)發(fā)者一個(gè)與USB硬件進(jìn)行直接交互的接口。在本設(shè)計(jì)中，即通過(guò)該結(jié)構(gòu)體實(shí)現(xiàn)了軟件與USB主控芯片USB3343的交互通信功能。

結(jié)語(yǔ)
    USB OTG技術(shù)滿足了兩個(gè)設(shè)備之間直接進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的要求。在對(duì)現(xiàn)有的OTG協(xié)議和相關(guān)應(yīng)用進(jìn)行深入研究的基礎(chǔ)上，本文在國(guó)產(chǎn)SoC芯片SEP6200平臺(tái)上設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于Linux內(nèi)核的USB OTG模塊驅(qū)動(dòng)。整個(gè)SEP6200核心板系統(tǒng)能夠支持USB主機(jī)模式、USB設(shè)備模式，并且能夠?qū)崿F(xiàn)兩個(gè)模式間的切換。