SEP6200平台上Linux内核的USB OTG驱动设计

摘要：为了满足两个USB设备之间直接进行数据通信的需求，通过对现有USB OTG协议和相关应用的研究，在国产SoC芯片SEP6200平台上设计并实现了基于Linux内核的USB OTG模块驱动。首先介绍了OTG标准中的对话请求协议(SRP)和主机交换协议(HNP)，然后制定并设计了基于USB控制芯片USB3343的硬件模块方案，最后根据Linux内核中已有的USB驱动架构完成了USB OTG设备驱动的设计，并最终实现了SEP6200嵌入式平台USB Host和Device角色的自由转换功能。
关键词：USB OTG；SEP6200；USB3343；Linux；设备驱动

引言
    传统的USB协议(USB 2．0)规定了两个设备之间进行数据通信时，必须有一个Host设备作为固定的主机，通过这个主机来控制设备问的数据传输。在日常应用中，基本都是将USB设备连接到PC，并在PC的控制下进行数据交换。这种交换方式，一旦离开了PC，各设备间就无法利用USB口进行直接操作。随着嵌入式设备的快速发展，两个USB设备之间直接进行数据交换的需求变得越来越迫切。USB On—The—Go(USB OTG)技术便应运而生。OTG技术实现了在没有Host的情况下，设备之间点对点的数据控制与传输。本文通过研究USB 2．0协议和USB OTG补充规范，结合具体应用需求，建立了基于国产SoC的嵌入式USB OTG模块硬件平台，并在Linux操作系统平台上设计并实现了基于国产内核主控芯片SEP6200的USB OTG设备驱动。

1 USB OTG协议与实现方式概述
    USB OTG标准在完全兼容USB2．0标准的基础上，增添了电源管理(节省功耗)功能，并可提供一定的主机检测能力，支持对话请求协议(SRP)和主机交换协议(HNP)。在OTG中，初始主机设备称为A—device，外设称为B—device。
    对话请求协议(Session Request Protocol，SRP)：为了节省功耗，A—device在总线不被使用时允许VBUS总线关断，此时B设备就会检测到该状态并进入功低耗模式。当外部B—device需要向A—device发起对话时，它会通过SRP向A—device发出申请，请求A—device向VBUS供电并启动一次对话。对话将随VBUS的开启而开始，随VBUS的关闭而结束。
    主机交换协议(Host Negotiation Protocol，HNP)：该协议允许两个直接相连的OTG设备进行主机Host功能的切换，它能够根据电缆的连接方式来决定初始化角色，从而允许设备在通信时能够改变控制信号。当用户模式或应用程序下B—device有输入时，HNP将作初始响应。
    OTG两用设备使用新型mini—AB插座，从而使mini—A插头、mini—B插头和mini—AB插座增添了第5个引脚(ID)，以用于识别不同的电缆端点。mini—A插头中的ID引脚接地，mini—B插头中的ID引脚浮空。当OTG设备检测到接地的ID引脚时，表示默认的是A—device(主机)；而检测到ID引脚浮着的设备，则认为是B—device(外设)。系统一旦连接后，OTG的角色还可以更换。A-Device作为默认主机并提供VBUS电源，并在检测到有设备连接时复位总线、枚举并配置B-device。

2 USB OTG模块硬件方案
    为了后期USB OTG驱动设计需要，首先对OTG硬件模块作一些简单的介绍。本文设计的USB OTG模块在硬件上由主控芯片SEP6200以及USB控制芯片USB3343构成。SEP6200是东南大学国家ASIC工程中心自主研发的一款定位于手持视频播放设备、卫星导航产品的高性能应用处理器，它内部集成了ULPI总线接口，支持SRP和HNP协议，拥有USB2．0 OTG功能。USB控制芯片USB3343是SMSC公司生产的一款高速USB收发器，支持主机、设备和OTG三种功能，非常适合用于要求低功耗工作和待机工作的便携式设备。SEP6200内部的OTG Controller和USB3343之间通过otg_transceiver接口来完成交互。
    在本模块中，SEP6200处理器通过自带的ULPI接口与USB3343进行连接和通信，而USB3343收发控制器则是通过外接USB MiniAB插座与外部USB设备进行连接。其硬件连接结构图如图1所示。

    此硬件平台以SEP6200处理器为核心，处理器除了ULPI接口的12根总线与USB3343相连接外，另外分别通过两根GPIO接口线来控制实现OTG的低功耗功能。其中一根(GPIO_RESETB)用来对USB3343进行软件复位，另一根(GPIO_EN)用来控制对VBUS总线供电。当核心板作为device与PC进行连接时，软件检测到ID信号状态为浮空后将GPIO_EN引脚置0，切断电源模块，使5 V供电电压与VBUS总线隔绝。相反，当核心板作为Host与U盘等外设进行通信时，软件检测到ID信号状态为接地，然后将GPIO_EN引脚置位，通过电源使能模块将5 V电压加载到VBUS总线上，实现核心板作为主机对外设进行供电，从而实现对外部设备的检测和枚举等后续操作。


3 USB OTG驱动架构的设计与实现
3．1 OTG设备驱动程序架构
    本设计的软件驱动开发基于Linux操作系统平台。作为开源操作系统，Linux有良好的兼容性和强大的USB技术支持。OTG设备驱动程序主要由USB目标设备软件包和USB主设备软件包构成。OTG驱动通过连接器中"ID"信号的不同连接，根据SRP和HNP协议的内部机制，确定使用USB主设备软件包还是USB目标设备软件包。图2是OTG没备驱动程序架构框图。

    当OTG设备以从机方式工作时，USB目标设备功能模块工作。目标设备控制驱动完成USB目标设备软件包与OTG硬件问的数据交换。USB协议层完成USB协议规范，USB目标设备类驱动的功能取决于OTG设备的功能。
    当OTG设备以主机方式工作时，USB主设备功能模块丁作。主控制驱动完成USB主设备软件包与OTG硬件间的数据交换，USB总线驱动保存设备的信息。OTG提供通用的主设备类驱动程序，驱动支持的这些目标主设备包含在目标设备的列表里。
    基于以上分析，驱动软件设计的总体任务主要分为：USB从机设备驱动设计、USB主机控制器驱动设计以及USB OTG驱动设计。其中从机设备驱动模块和主机控制器驱动模块互相独立，OTG驱动依赖于从机设备驱动和主机控制器驱动。
3．2 USB从机设备驱动设计
    基于SEP6200的核心板系统在作为USB从机设备时，要应答PC主机的标准请求，处理USB总线事务和用户功能。因此从机驱动包括3层：UD C驱动程序、Gadget驱动程序和Gadget API。UDC驱动程序负责直接访问硬件，控制USB设备与主机间的底层通信，向上层提供与硬件相关操作的回调函数。Gadget驱动程序具体控制USB设备功能的实现。Gadget API则是提供给UDC驱动程序回调函数的简单封装。
    Linux内核首先通过musb_init_controller()函数初始化USB设备控制器，OTG驱动提供的状态机根据硬件信息将USB OTG工作模式配置成从机模式。接着内核会初始化Gadget驱动，完成Gadget驱动和UDC驱动的绑定，并配置控制器使其开始工作。然后调用底层GadgetAPI函数来激活端点进行数据传输。USBOTG定义了三个端点；程序中定义端点0在控制传输中应答设备枚举，端点1的功能为向PC机发送数据，端点2的功能为接收PC机发送的数据。最后，通过中断响应和中断处理函数来完成核心板作为设备与PC机的通信操作。内核使用struct musb结构体描述UCD驱动实例的各种信息。
3．3 USB主机控制器驱动设计
    核心板系统的主机驱动分为几个部分：Host controller drive、USB core和Class driver。在本设计中，Hostcontroiler drive与所应用的USB主控芯片USB3343相关，而USB Core和Class driver在Linux内核中提供了相应的支持。
    Linux内核使用usb_hcd结构描述USB主机控制器驱动Host controller drive。usb_hcd结构描述了USB主机控制器的硬件信息、状态和操作函数，其定义如下：
   
    软件根据HNP协议执行完所有的HNP状态后，OTG驱动进入USB Host模式。在对底层硬件初始化后，注册Hub和USB存储类设备，随后加载hub_probe对根Hub进行初始化和枚举。当外部USB设备插入后，系统将对USB类设备进行枚举，查找对应的USB存储类设备驱动，并加载stora ge_probe，然后读取插入的USB存储类设备的文件系统结构，将该存储设备注册为一个scsidisk。使用mount命令将该设备挂载到相应目录后，即可完成对USB存储设备的读写操作。
3．4 USB OTG驱动设计
    OTG驱动维护着一个OTG状态机，从而支持HNP和SRP协议，转换主机端和设备端功能，上文中硬件状态的检测和驱动模式转化即由此实现。在模块初始化的时候，首先对OTG驱动进行注册，OTG驱动将自身注册为一个char设备。当找到设备时，在注册函数中执行设备控制器驱动对应的probe函数，初始化OTG模块，随后调用中断申请函数申请中断，并设置相应的中断处理函数。在本设计中，当有OTG中断产生时，首先执行硬件访问层的中断处理函数phy3343_hal_isr()，在这个函数中读取中断来源，若判断是OTG中断，则调用OTG驱动的中断处理例程usb_ otg_isr()，启动OTG状态机。
    OTG驱动还需要向文件系统提供相应的file operations接口，供上层的application调用，这些接口函数包括：usb_otgdev_open、usb_ otgdev_close、usb_otgdev_ioctl、usb_otgdev_fasync等。usb_otgdev_open函数负责OTGapplication在打开OTG设备文件时，通过Linux文件系统接口调用该函数，进行OTG驱动自身参数的初始化；usb_otgdev_close函数负责OTG application在关闭OTG设备文件时，通过Linux文件系统接口调用该函数，进行OTG驱动自身参数重启；usb_otgdev_ioctl函数是在OTGapplication调用OTG设备文件的ioctl函数时，Linux文件系统接口调用该函数；usb_otgdev_fasync函数则是当OTG的application设置或者重设异步通知时，对该函数进行调用，当异步通知模式设置成功返回值为0，失败时返回负值。
    Linux内核中通过定义struet otg_transceiver结构体，提供给开发者一个与USB硬件进行直接交互的接口。在本设计中，即通过该结构体实现了软件与USB主控芯片USB3343的交互通信功能。

结语
    USB OTG技术满足了两个设备之间直接进行数据通信的要求。在对现有的OTG协议和相关应用进行深入研究的基础上，本文在国产SoC芯片SEP6200平台上设计并实现了基于Linux内核的USB OTG模块驱动。整个SEP6200核心板系统能够支持USB主机模式、USB设备模式，并且能够实现两个模式间的切换。