SEP6200平臺上Linux內核的USB OTG驅動(dòng)設計

摘要：為了滿(mǎn)足兩個(gè)USB設備之間直接進(jìn)行數據通信的需求，通過(guò)對現有USB OTG協(xié)議和相關(guān)應用的研究，在國產(chǎn)SoC芯片SEP6200平臺上設計并實(shí)現了基于Linux內核的USB OTG模塊驅動(dòng)。首先介紹了OTG標準中的對話(huà)請求協(xié)議(SRP)和主機交換協(xié)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(dòng)架構完成了USB OTG設備驅動(dòng)的設計，并最終實(shí)現了SEP6200嵌入式平臺USB Host和Device角色的自由轉換功能。
關(guān)鍵詞：USB OTG；SEP6200；USB3343；Linux；設備驅動(dòng)

引言
傳統的USB協(xié)議(USB 2．0)規定了兩個(gè)設備之間進(jìn)行數據通信時(shí)，必須有一個(gè)Host設備作為固定的主機，通過(guò)這個(gè)主機來(lái)控制設備問(wèn)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(jìn)行數據交換。這種交換方式，一旦離開(kāi)了PC，各設備間就無(wú)法利用USB口進(jìn)行直接操作。隨著(zhù)嵌入式設備的快速發(fā)展，兩個(gè)USB設備之間直接進(jìn)行數據交換的需求變得越來(lái)越迫切。USB On—The—Go(USB OTG)技術(shù)便應運而生。OTG技術(shù)實(shí)現了在沒(méi)有Host的情況下，設備之間點(diǎn)對點(diǎn)的數據控制與傳輸。本文通過(guò)研究USB 2．0協(xié)議和USB OTG補充規范，結合具體應用需求，建立了基于國產(chǎn)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(shí)現了基于國產(chǎn)內核主控芯片SEP6200的USB OTG設備驅動(dòng)。

1 USB OTG協(xié)議與實(shí)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(huà)請求協(xié)議(SRP)和主機交換協(xié)議(HNP)。在OTG中，初始主機設備稱(chēng)為A—device，外設稱(chēng)為B—device。
對話(huà)請求協(xié)議(Session Request Protocol，SRP)：為了節省功耗，A—device在總線(xiàn)不被使用時(shí)允許VBUS總線(xiàn)關(guān)斷，此時(shí)B設備就會(huì )檢測到該狀態(tài)并進(jìn)入功低耗模式。當外部B—device需要向A—device發(fā)起對話(huà)時(shí)，它會(huì )通過(guò)SRP向A—device發(fā)出申請，請求A—device向VBUS供電并啟動(dòng)一次對話(huà)。對話(huà)將隨VBUS的開(kāi)啟而開(kāi)始，隨VBUS的關(guān)閉而結束。
主機交換協(xié)議(Host Negotiation Protocol，HNP)：該協(xié)議允許兩個(gè)直接相連的OTG設備進(jìn)行主機Host功能的切換，它能夠根據電纜的連接方式來(lái)決定初始化角色，從而允許設備在通信時(shí)能夠改變控制信號。當用戶(hù)模式或應用程序下B—device有輸入時(shí)，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(gè)引腳(ID)，以用于識別不同的電纜端點(diǎn)。mini—A插頭中的ID引腳接地，mini—B插頭中的ID引腳浮空。當OTG設備檢測到接地的ID引腳時(shí)，表示默認的是A—device(主機)；而檢測到ID引腳浮著(zhù)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(shí)復位總線(xiàn)、枚舉并配置B-device。

2 USB OTG模塊硬件方案
為了后期USB OTG驅動(dòng)設計需要，首先對OTG硬件模塊作一些簡(jiǎn)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(xué)國家ASIC工程中心自主研發(fā)的一款定位于手持視頻播放設備、衛星導航產(chǎn)品的高性能應用處理器，它內部集成了ULPI總線(xiàn)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、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(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設備進(jìn)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(xiàn)與USB3343相連接外，另外分別通過(guò)兩根GPIO接口線(xiàn)來(lái)控制實(shí)現OTG的低功耗功能。其中一根(GPIO_RESETB)用來(lái)對USB3343進(jìn)行軟件復位，另一根(GPIO_EN)用來(lái)控制對VBUS總線(xiàn)供電。當核心板作為device與PC進(jìn)行連接時(shí)，軟件檢測到ID信號狀態(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(xiàn)隔絕。相反，當核心板作為Host與U盤(pán)等外設進(jìn)行通信時(shí)，軟件檢測到ID信號狀態(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(xiàn)上，實(shí)現核心板作為主機對外設進(jìn)行供電，從而實(shí)現對外部設備的檢測和枚舉等后續操作。

3 USB OTG驅動(dòng)架構的設計與實(shí)現
3．1 OTG設備驅動(dòng)程序架構
本設計的軟件驅動(dòng)開(kāi)發(fā)基于Linux操作系統平臺。作為開(kāi)源操作系統，Linux有良好的兼容性和強大的USB技術(shù)支持。OTG設備驅動(dòng)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(dòng)通過(guò)連接器中“ID”信號的不同連接，根據SRP和HNP協(xié)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(méi)備驅動(dòng)程序架構框圖。

當OTG設備以從機方式工作時(shí)，USB目標設備功能模塊工作。目標設備控制驅動(dòng)完成USB目標設備軟件包與OTG硬件問(wèn)的數據交換。USB協(xié)議層完成USB協(xié)議規范，USB目標設備類(lèi)驅動(dòng)的功能取決于OTG設備的功能。
當OTG設備以主機方式工作時(shí)，USB主設備功能模塊丁作。主控制驅動(dòng)完成USB主設備軟件包與OTG硬件間的數據交換，USB總線(xiàn)驅動(dòng)保存設備的信息。OTG提供通用的主設備類(lèi)驅動(dòng)程序，驅動(dòng)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(dòng)軟件設計的總體任務(wù)主要分為：USB從機設備驅動(dòng)設計、USB主機控制器驅動(dòng)設計以及USB OTG驅動(dòng)設計。其中從機設備驅動(dòng)模塊和主機控制器驅動(dòng)模塊互相獨立，OTG驅動(dòng)依賴(lài)于從機設備驅動(dòng)和主機控制器驅動(dòng)。
3．2 USB從機設備驅動(dòng)設計
基于SEP6200的核心板系統在作為USB從機設備時(shí)，要應答PC主機的標準請求，處理USB總線(xiàn)事務(wù)和用戶(hù)功能。因此從機驅動(dòng)包括3層：UD C驅動(dòng)程序、Gadget驅動(dòng)程序和Gadget API。UDC驅動(dòng)程序負責直接訪(fǎng)問(wèn)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(guān)操作的回調函數。Gadget驅動(dòng)程序具體控制USB設備功能的實(shí)現。Gadget API則是提供給UDC驅動(dòng)程序回調函數的簡(jiǎn)單封裝。
Linux內核首先通過(guò)musb_init_controller()函數初始化USB設備控制器，OTG驅動(dòng)提供的狀態(tài)機根據硬件信息將USB OTG工作模式配置成從機模式。接著(zhù)內核會(huì )初始化Gadget驅動(dòng)，完成Gadget驅動(dòng)和UDC驅動(dòng)的綁定，并配置控制器使其開(kāi)始工作。然后調用底層GadgetAPI函數來(lái)激活端點(diǎn)進(jìn)行數據傳輸。USBOTG定義了三個(gè)端點(diǎn)；程序中定義端點(diǎn)0在控制傳輸中應答設備枚舉，端點(diǎn)1的功能為向PC機發(fā)送數據，端點(diǎn)2的功能為接收PC機發(fā)送的數據。最后，通過(guò)中斷響應和中斷處理函數來(lái)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(dòng)實(shí)例的各種信息。
3．3 USB主機控制器驅動(dòng)設計
核心板系統的主機驅動(dòng)分為幾個(gè)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(guān)，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(dòng)Host controller drive。usb_hcd結構描述了USB主機控制器的硬件信息、狀態(tài)和操作函數，其定義如下：

軟件根據HNP協(xié)議執行完所有的HNP狀態(tài)后，OTG驅動(dòng)進(jìn)入USB Host模式。在對底層硬件初始化后，注冊Hub和USB存儲類(lèi)設備，隨后加載hub_probe對根Hub進(jìn)行初始化和枚舉。當外部USB設備插入后，系統將對USB類(lèi)設備進(jìn)行枚舉，查找對應的USB存儲類(lèi)設備驅動(dòng)，并加載stora ge_probe，然后讀取插入的USB存儲類(lèi)設備的文件系統結構，將該存儲設備注冊為一個(gè)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(xiě)操作。
3．4 USB OTG驅動(dòng)設計
OTG驅動(dòng)維護著(zhù)一個(gè)OTG狀態(tài)機，從而支持HNP和SRP協(xié)議，轉換主機端和設備端功能，上文中硬件狀態(tài)的檢測和驅動(dòng)模式轉化即由此實(shí)現。在模塊初始化的時(shí)候，首先對OTG驅動(dòng)進(jìn)行注冊，OTG驅動(dòng)將自身注冊為一個(gè)char設備。當找到設備時(shí)，在注冊函數中執行設備控制器驅動(dòng)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(chǎn)生時(shí)，首先執行硬件訪(fǎng)問(wèn)層的中斷處理函數phy3343_hal_isr()，在這個(gè)函數中讀取中斷來(lái)源，若判斷是OTG中斷，則調用OTG驅動(dòng)的中斷處理例程usb_ otg_isr()，啟動(dòng)OTG狀態(tài)機。
OTG驅動(dòng)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(kāi)OTG設備文件時(shí)，通過(guò)Linux文件系統接口調用該函數，進(jìn)行OTG驅動(dòng)自身參數的初始化；usb_otgdev_close函數負責OTG application在關(guān)閉OTG設備文件時(shí)，通過(guò)Linux文件系統接口調用該函數，進(jìn)行OTG驅動(dòng)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(shí)，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(shí)，對該函數進(jìn)行調用，當異步通知模式設置成功返回值為0，失敗時(shí)返回負值。
Linux內核中通過(guò)定義struet otg_transceiver結構體，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。在本設計中，即通過(guò)該結構體實(shí)現了軟件與USB主控芯片USB3343的交互通信功能。

結語(yǔ)
USB OTG技術(shù)滿(mǎn)足了兩個(gè)設備之間直接進(jìn)行數據通信的要求。在對現有的OTG協(xié)議和相關(guān)應用進(jìn)行深入研究的基礎上，本文在國產(chǎn)SoC芯片SEP6200平臺上設計并實(shí)現了基于Linux內核的USB OTG模塊驅動(dòng)。整個(gè)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(shí)現兩個(gè)模式間的切換。