SEP6200平臺上Linux內核的USB OTG驅動設計

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摘要：為了滿足兩個USB設備之間直接進行數據通信的需求，通過對現有USB OTG協議和相關應用的研究，在國產SoC芯片SEP6200平臺上設計并實現了基于Linux內核的USB OTG模塊驅動。首先介紹了OTG標準中的對話請求協議(SRP)和主機交換協議(HNP)，然后制定并設計了基于USB控制芯片USB3343的硬件模塊方案，最后根據Linux內核中已有的USB驅動架構完成了USB OTG設備驅動的設計，并最終實現了SEP6200嵌入式平臺USB Host和Device角色的自由轉換功能。
關鍵詞：USB OTG；SEP6200；USB3343；Linux；設備驅動
引言
傳統的USB協議(USB 2．0)規定了兩個設備之間進行數據通信時，必須有一個Host設備作為固定的主機，通過這個主機來控制設備問的數據傳輸。在日常應用中，基本都是將USB設備連接到PC，并在PC的控制下進行數據交換。這種交換方式，一旦離開了PC，各設備間就無法利用USB口進行直接操作。隨著嵌入式設備的快速發展，兩個USB設備之間直接進行數據交換的需求變得越來越迫切。USB On—The—Go(USB OTG)技術便應運而生。OTG技術實現了在沒有Host的情況下，設備之間點對點的數據控制與傳輸。本文通過研究USB 2．0協議和USB OTG補充規范，結合具體應用需求，建立了基于國產SoC的嵌入式USB OTG模塊硬件平臺，并在Linux操作系統平臺上設計并實現了基于國產內核主控芯片SEP6200的USB OTG設備驅動。
1 USB OTG協議與實現方式概述
USB OTG標準在完全兼容USB2．0標準的基礎上，增添了電源管理(節省功耗)功能，并可提供一定的主機檢測能力，支持對話請求協議(SRP)和主機交換協議(HNP)。在OTG中，初始主機設備稱為A—device，外設稱為B—device。
對話請求協議(Session Request Protocol，SRP)：為了節省功耗，A—device在總線不被使用時允許VBUS總線關斷，此時B設備就會檢測到該狀態并進入功低耗模式。當外部B—device需要向A—device發起對話時，它會通過SRP向A—device發出申請，請求A—device向VBUS供電并啟動一次對話。對話將隨VBUS的開啟而開始，隨VBUS的關閉而結束。
主機交換協議(Host Negotiation Protocol，HNP)：該協議允許兩個直接相連的OTG設備進行主機Host功能的切換，它能夠根據電纜的連接方式來決定初始化角色，從而允許設備在通信時能夠改變控制信號。當用戶模式或應用程序下B—device有輸入時，HNP將作初始響應。
OTG兩用設備使用新型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個引腳(ID)，以用于識別不同的電纜端點。mini—A插頭中的ID引腳接地，mini—B插頭中的ID引腳浮空。當OTG設備檢測到接地的ID引腳時，表示默認的是A—device(主機)；而檢測到ID引腳浮著的設備，則認為是B—device(外設)。系統一旦連接后，OTG的角色還可以更換。A-Device作為默認主機并提供VBUS電源，并在檢測到有設備連接時復位總線、枚舉并配置B-device。
2 USB OTG模塊硬件方案
為了后期USB OTG驅動設計需要，首先對OTG硬件模塊作一些簡單的介紹。本文設計的USB OTG模塊在硬件上由主控芯片SEP6200以及USB控制芯片USB3343構成。SEP6200是東南大學國家ASIC工程中心自主研發的一款定位于手持視頻播放設備、衛星導航產品的高性能應用處理器，它內部集成了ULPI總線接口，支持SRP和HNP協議，擁有USB2．0 OTG功能。USB控制芯片USB3343是SMSC公司生產的一款高速USB收發器，支持主機、設備和OTG三種功能，非常適合用于要求低功耗工作和待機工作的便攜式設備。SEP6200內部的OTG Controller和USB3343之間通過otg_transceiver接口來完成交互。
在本模塊中，SEP6200處理器通過自帶的ULPI接口與USB3343進行連接和通信，而USB3343收發控制器則是通過外接USB MiniAB插座與外部USB設備進行連接。其硬件連接結構圖如圖1所示。

此硬件平臺以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，另外分別通過兩根GPIO接口線來控制實現OTG的低功耗功能。其中一根(GPIO_RESETB)用來對USB3343進行軟件復位，另一根(GPIO_EN)用來控制對VBUS總線供電。當核心板作為device與PC進行連接時，軟件檢測到ID信號狀態為浮空后將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，當核心板作為Host與U盤等外設進行通信時，軟件檢測到ID信號狀態為接地，然后將GPIO_EN引腳置位，通過電源使能模塊將5 V電壓加載到VBUS總線上，實現核心板作為主機對外設進行供電，從而實現對外部設備的檢測和枚舉等后續操作。
3 USB OTG驅動架構的設計與實現
3．1 OTG設備驅動程序架構
本設計的軟件驅動開發基于Linux操作系統平臺。作為開源操作系統，Linux有良好的兼容性和強大的USB技術支持。OTG設備驅動程序主要由USB目標設備軟件包和USB主設備軟件包構成。OTG驅動通過連接器中“ID”信號的不同連接，根據SRP和HNP協議的內部機制，確定使用USB主設備軟件包還是USB目標設備軟件包。圖2是OTG沒備驅動程序架構框圖。

當OTG設備以從機方式工作時，USB目標設備功能模塊工作。目標設備控制驅動完成USB目標設備軟件包與OTG硬件問的數據交換。USB協議層完成USB協議規范，USB目標設備類驅動的功能取決于OTG設備的功能。
當OTG設備以主機方式工作時，USB主設備功能模塊丁作。主控制驅動完成USB主設備軟件包與OTG硬件間的數據交換，USB總線驅動保存設備的信息。OTG提供通用的主設備類驅動程序，驅動支持的這些目標主設備包含在目標設備的列表里。
基于以上分析，驅動軟件設計的總體任務主要分為：USB從機設備驅動設計、USB主機控制器驅動設計以及USB OTG驅動設計。其中從機設備驅動模塊和主機控制器驅動模塊互相獨立，OTG驅動依賴于從機設備驅動和主機控制器驅動。
3．2 USB從機設備驅動設計
基于SEP6200的核心板系統在作為USB從機設備時，要應答PC主機的標準請求，處理USB總線事務和用戶功能。因此從機驅動包括3層：UD C驅動程序、Gadget驅動程序和Gadget API。UDC驅動程序負責直接訪問硬件，控制USB設備與主機間的底層通信，向上層提供與硬件相關操作的回調函數。Gadget驅動程序具體控制USB設備功能的實現。Gadget API則是提供給UDC驅動程序回調函數的簡單封裝。
Linux內核首先通過musb_init_controller()函數初始化USB設備控制器，OTG驅動提供的狀態機根據硬件信息將USB OTG工作模式配置成從機模式。接著內核會初始化Gadget驅動，完成Gadget驅動和UDC驅動的綁定，并配置控制器使其開始工作。然后調用底層GadgetAPI函數來激活端點進行數據傳輸。USBOTG定義了三個端點；程序中定義端點0在控制傳輸中應答設備枚舉，端點1的功能為向PC機發送數據，端點2的功能為接收PC機發送的數據。最后，通過中斷響應和中斷處理函數來完成核心板作為設備與PC機的通信操作。內核使用struct musb結構體描述UCD驅動實例的各種信息。
3．3 USB主機控制器驅動設計
核心板系統的主機驅動分為幾個部分：Host controller drive、USB core和Class driver。在本設計中，Hostcontroiler drive與所應用的USB主控芯片USB3343相關，而USB Core和Class driver在Linux內核中提供了相應的支持。
Linux內核使用usb_hcd結構描述USB主機控制器驅動Host controller drive。usb_hcd結構描述了USB主機控制器的硬件信息、狀態和操作函數，其定義如下：


軟件根據HNP協議執行完所有的HNP狀態后，OTG驅動進入USB Host模式。在對底層硬件初始化后，注冊Hub和USB存儲類設備，隨后加載hub_probe對根Hub進行初始化和枚舉。當外部USB設備插入后，系統將對USB類設備進行枚舉，查找對應的USB存儲類設備驅動，并加載stora ge_probe，然后讀取插入的USB存儲類設備的文件系統結構，將該存儲設備注冊為一個scsidisk。使用mount命令將該設備掛載到相應目錄后，即可完成對USB存儲設備的讀寫操作。
3．4 USB OTG驅動設計
OTG驅動維護著一個OTG狀態機，從而支持HNP和SRP協議，轉換主機端和設備端功能，上文中硬件狀態的檢測和驅動模式轉化即由此實現。在模塊初始化的時候，首先對OTG驅動進行注冊，OTG驅動將自身注冊為一個char設備。當找到設備時，在注冊函數中執行設備控制器驅動對應的probe函數，初始化OTG模塊，隨后調用中斷申請函數申請中斷，并設置相應的中斷處理函數。在本設計中，當有OTG中斷產生時，首先執行硬件訪問層的中斷處理函數phy3343_hal_isr()，在這個函數中讀取中斷來源，若判斷是OTG中斷，則調用OTG驅動的中斷處理例程usb_ otg_isr()，啟動OTG狀態機。
OTG驅動還需要向文件系統提供相應的file operations接口，供上層的application調用，這些接口函數包括：usb_otgdev_open、usb_ otgdev_close、usb_otgdev_ioctl、usb_otgdev_fasync等。usb_otgdev_open函數負責OTGapplication在打開OTG設備文件時，通過Linux文件系統接口調用該函數，進行OTG驅動自身參數的初始化；usb_otgdev_close函數負責OTG application在關閉OTG設備文件時，通過Linux文件系統接口調用該函數，進行OTG驅動自身參數重啟；usb_otgdev_ioctl函數是在OTGapplication調用OTG設備文件的ioctl函數時，Linux文件系統接口調用該函數；usb_otgdev_fasync函數則是當OTG的application設置或者重設異步通知時，對該函數進行調用，當異步通知模式設置成功返回值為0，失敗時返回負值。
Linux內核中通過定義struet otg_transceiver結構體，提供給開發者一個與USB硬件進行直接交互的接口。在本設計中，即通過該結構體實現了軟件與USB主控芯片USB3343的交互通信功能。
結語
USB OTG技術滿足了兩個設備之間直接進行數據通信的要求。在對現有的OTG協議和相關應用進行深入研究的基礎上，本文在國產SoC芯片SEP6200平臺上設計并實現了基于Linux內核的USB OTG模塊驅動。整個SEP6200核心板系統能夠支持USB主機模式、USB設備模式，并且能夠實現兩個模式間的切換。