Linux驱动开发|USB驱动

USB驱动

USB接口很复杂，不同的设备器协议也不同，因此本文仅介绍如何使能Linux内核自带的USB驱动，不涉及USB驱动开发

一、USB接口简介

1.1 USB介绍

USB（Universal Serial Bus），即通用串行总线。由英特尔与众多电脑公司提出来的，用于规范电脑与外部设备的连接与通讯。目前 USB 接口已经得到了大范围的应用，已经是电脑、手机等终端设备的必配接口。

按照大版本划分， USB 目前可以划分为 USB1.0、 USB2.0、 USB3.0 以及正在即将到来的USB4.0

按照接口类型划分，USB 也分为很多种，常见的如下图示

以 Mini USB 为例介绍 USB 的基本电气属性。 Mini USB 线一般都是一头为 USB A 插头，一头为 Mini USB插头。

USB A 插头共有四个触点，即 4 根线，这四根线的顺序如上图示。其中 VBUS/GND 触点比 D+/D- 触点要长，当插入 USB 时会先供电，然后再接通数据线；拔出时先断开数据线，然后再断开电源线

– 第 1 根线为 VBUS，电压为5V
– 第 2 根线为 D- ，差分信号线
– 第 3 根线为 D+ ，差分信号线
– 第 4 根线为 GND，接地线

Mini USB插头共有五个触点，即 5 根线，这五根线的顺序如上图示

– 第 1 根线为 VCC，电压为5V
– 第 2 根线为 D- ，差分信号线
– 第 3 根线为 D+ ，差分信号线
– 第 4 根线为 ID ，用于实现OTG功能，判断当前连接是主设备还是从设备
– 第 5 根线为 GND，接地线

1.2 USB拓扑结构

USB 是主从结构的，也就是分为主机（Host）和从机（Device）两部分。主机就是提供 USB A 插座来连接外部的设备，比如电脑作为主机，对外提供 USB A 插座。USB 只能主机与设备之间进行数据通信，主机与主机、设备与设备之间是不能通信的，因此两个正常通信的 USB 接口之间必定有一个主机，一个设备。为此使用了不同的插头和插座来区分主机与设备，比如主机提供 USB A 插座，从机提供 Mini USB、Micro USB 等插座。

主机和从机之间的通信通过管道 (Pipe) 完成，管道是一个逻辑概念，任何一个 USB 设备一旦上电就会存在一个管道，主机通过管道来获取从机的描述符、配置等信息。在主机端管道其实就是一组缓冲区，用来存放主机数据，在设备端管道对应一个特定的端点。

在一个 USB 系统中，仅有一个 USB 主机，但是可以有多个 USB 设备，包括 USB 功能设备和 USB HUB（USB集线器，用于扩展 USB 插口），最多支持 127 个设备。一个 USB 主控制器支持 128 个地址，地址 0 是默认地址，只有在设备枚举的时候才会使用，地址 0 不会分配给任何一个设备。所以一个 USB 主控制器最多可以分配 127 个地址。整个 USB 的拓扑结构就是一个分层的金字塔形，如下图示

上图中，共有7层，顶部是 Root Hub，这个是USB 控制器内部的，图中的 Hub 是连接的 USB 集线器，Func 是具体的 USB 设备

1.3 USB OTG

OTG 是 On-The-Go 的缩写，支持 USB OTG 功能的 USB 接口既可以做 HOST，也可以做 DEVICE。支持 OTG 模式的 USB 接口一般都是 Mini USB 或 Micro USB 等这些带有 ID 线的接口，ID 线的高低电平表示 USB 口工作在 HOST 还是 DEVICE 模式：

ID=1：OTG 设备工作在从机模式
ID=0：OTG 设备工作在主机模式

1.4 IMX6ULL 开发板USB接口简介

I.MX6ULL内部集成了两个独立的 USB控制器，这两个 USB 控制器都支持 OTG 功能。控制器内核分别为 Core0和 Core1，分别连接到 OTG1 和 OTG2 上。两个控制器都支持 HS (High Speed 480Mbps)、 FS (Full Speed 12Mbps)和 LS (Low Speed 1.5Mbps)模式，硬件支持 OTG信号、会话请求协议和主机协商协议，支持 8个双向端点；支持低功耗模式，本地或远端可以唤醒；每个控制器都有一个 DMA

I.MX6ULL-ALPHA开发板USB接口分为两部分： USB HUB 和 USB OTG

USB HUB：利用GL850G这个HUB芯片将 USB OTG2 扩展成4路 HOST接口（只能做 HOST），原理图如下示
USB OTG：另外一路 USB OTG1 接口，既可作为主机 (HOST)，也可作为从机 (DEVICE)

当OTG作为从机时，USB线接入上图左侧的Mini USB插座；当OTG作为主机时，USB设备接入上图右侧的USB A插座

二、Linux内核自带HOST实验

2.1 USB鼠标键盘测试

I.MX6U-ALPHA 开发板做 USB 主机，然后外接 USB 设备，比如 USB 鼠标键盘、 USB 转 TTL 串口线、 U 盘等设备。内核已经集成了大量的 USB 设备驱动，尤其是常见的 USB 鼠标键盘、 U 盘等，写明介绍如何使能 Linux 内核常见的 USB 设备驱动

USB 鼠标键盘驱动使能：属于 HID 设备，内核已经集成相应驱动，使用make menuconfig命令图形化配置内核

能通用 HID 驱动

-> Device Drivers-> HID support-> HID bus support (HID [=y])-> <*> Generic HID driver     //使能通用 HID 驱动

使能 USB 键盘和鼠标驱动

-> Device Drivers-> HID support-> USB HID support-> <*> USB HID transport layer    //USB 键盘鼠标等 HID 设备驱动

测试 USB 鼠标和键盘：重新编译内核并且使用新的 zImage 启动开发板。

启动后插入 USB 鼠标，会有如下提示信息

成功驱动后，会在/dev/input 目录下生成一个名为 eventX 的文件，使用hexdump命令查看戍边的原始输入值

2.2 U盘实验

Linux 内核也集成了 U 盘驱动

使能 U 盘驱动

U 盘使用 SCSI 协议，因此要先使能内核中的 SCSI 协议

-> Device Drivers-> SCSI device support-> <*> SCSI disk support   //选中此选项

使能 USB Mass Storage，即 USB 接口的大容量存储设备

-> Device Drivers-> USB support (USB_SUPPORT [=y])-> Support for Host-side USB (USB [=y])-> <*> USB Mass Storage support //USB 大容量存储设备

U 盘测试

将 U 盘(FAT32 格式) 插入到开发板的 HOST 接口上，驱动成功的话会输出下图所示信息

系统检测到 U 盘插入，对应的设备文件为 /dev/sda（整个U盘）和 /dev/sda1（U第1个分区），使用如下命令挂载 U盘

mkdir /mnt/usb_disk -p   //创建目录，可挂载到任意目录下，此处为了方便新建挂载目录
mount /dev/sda1 /mnt/usb_disk/ -t vfat -o iocharset=utf8 //挂载
//-t 指定挂载所使用的文件系统类型，此处为vfat，即FAT文件系统，
//-o iocharset 设置硬盘编码格式为 utf8，否则U盘里的中文会显示乱码

挂载成功后，进入到/mnt/usb_disk 目录下即可查看U盘文件。拔出U盘时，需执行一个sync命令，在进行U盘卸载

sync                     //同步
//如果处于/mnt/usb_disk目录的话先要退出来，否则卸载时会提示设备忙，导致卸载失败！
cd /
umount /mnt/usb_disk    //卸载

三、Linux内核自带OTG实验

USB OTG1 的 ID 引脚连接到了 GPIO1_IO00 引脚上，一般情况下 USB OTG 默认工作在主机(HOST)模式下，因此 ID 线应该是低电平。这里需要修改设备树中 GPIO1_IO00 引脚的电气属性，并将其设置为默认下拉。

打开设备树设备树文件，在 iomuxc 节点的 pinctrl_hog_1 子节点下添加 GPIO1_IO00 引脚信息，如下所示：

&iomuxc {pinctrl-names = "default";pinctrl-0 = <&pinctrl_hog_1>;imx6ul-evk {pinctrl_hog_1: hoggrp-1 {fsl,pins = <......MX6UL_PAD_GPIO1_IO00__ANATOP_OTG1_ID 0x13058 /*OTG1 ID */>;};......
};

设备树修改好以后重新编译并用新的设备树启动系统

3.1 OTG主机实验

主机实验同第二章节相同

3.2 OTG从机实验

OTG 从机就是将开发板作为一个 USB 设备连接到其他的主机上

模拟 U 盘实验：将开发板当成 U 盘（U盘或TF卡），挂载到 PC上去

配置 Linux路径如下：

-> Device Drivers-> USB support (USB_SUPPORT [=y])-> USB Gadget Support (USB_GADGET [=y]-> [M]USB Gadget Drivers (<choice> [=m]) //选中 USB Gadget 驱动->[M]Mass Storage Gadget //大容量存储

此时要将驱动编译为模块，使用时直接加载驱动模块即可。配置好以后重新编译内核，会得到以下三个.ko 驱动模块(带路径)：

drivers/usb/gadget/libcomposite.ko
drivers/usb/gadget/function/usb_f_mass_storage.ko
drivers/usb/gadget/legacy/g_mass_storage.ko

将这三个驱动模块拷贝至开发板根文件系统中，使用 Mini USB 线将开发板的 USB OTG Mini 接口与电脑连接起来。之后依次加载 libcomposite.ko、 usb_f_mass_storage.ko 和 g_mass_storage.ko 这三个驱动文件，顺序不能错

depmod
modprobe libcomposite.ko
modprobe usb_f_mass_storage.ko
modprobe g_mass_storage.ko file=/dev/sda1 removable=1

加载 g_mass_storage.ko 时使用 file 参数指定使用的大容量存储设备，这里使用 U 盘对应的/dev/sda1。若加载成功电脑就会出现一个 U 盘，这个就是开发板模拟的，要退出的话执行命令rmmod g_mass_storage.ko即可

USB 声卡实验：USB 接口的外置声卡

开发板板载了音频解码芯片，因此可以将其作为外置USB 声卡，先要配置内核

-> Device Drivers-> USB support (USB_SUPPORT [=y])-> USB Gadget Support (USB_GADGET [=y]-> [M]USB Gadget Drivers   //选中 USB Gadget 驱动->[M] Audio Gadget         //选中音频->UAC 1.0 (Legacy)     //选中 UAC

此时要将驱动编译为模块，使用时直接加载驱动模块即可。重新编译内核，会得到以下三个.ko 驱动模块(带路径)：

drivers/usb/gadget/libcomposite.ko
drivers/usb/gadget/function/usb_f_uac1.ko
drivers/usb/gadget/legacy/g_audio.ko

将这三个驱动模块拷贝至开发板根文件系统中，使用 Mini USB 线将开发板的 USB OTG Mini 接口与电脑连接起来。之后依次加载 libcomposite.ko、usb_f_uac1.ko 和 g_audio.ko 这三个驱动文件，顺序不能错

depmod
modprobe libcomposite.ko
modprobe usb_f_uac1.ko
modprobe g_audio.ko

加载完成后会虚拟出一个 USB 声卡，在电脑设备管理器会出现名为“AC Interface”的设备，就是开发板模拟出来的 USB 声卡，选择音频输出使用该设备，之后就可以从开发板上听到电脑输出的声音