蒲 進(jìn)

嵌入式Linux USB OTG體系結(jié)構(gòu)

蒲 進(jìn)

通過引入基于嵌入式Linux的USB OTG子系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，重點(diǎn)分析了支持Mass Storage Class的USB OTG協(xié)議棧結(jié)構(gòu)，并據(jù)此提出了符合便攜式多媒體設(shè)備特點(diǎn)以及USB OTG規(guī)范的結(jié)構(gòu)框架。

由于傳統(tǒng)的USB 系統(tǒng)是一個(gè)基于主機(jī)的主從（Host/ Device） 結(jié)構(gòu)，作為外設(shè)端角色出現(xiàn)的嵌入式設(shè)備在通過USB 接口傳輸數(shù)據(jù)時(shí)就必須依賴PC進(jìn)行通信。為了擺脫P(yáng)C實(shí)現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)間的USB 數(shù)據(jù)傳輸U(kuò)SBIF于2001 年發(fā)布了專門用于USB 外設(shè)間可移動(dòng)互連的USB2.0協(xié)議的補(bǔ)充規(guī)范USB OTG（On-The-Go） 。USB OTG補(bǔ)充規(guī)范主要由HNP 協(xié)議和SRP協(xié)議組成，并定義了新的設(shè)備類型：即雙角色OTG 設(shè)備（Dual-Role Device） 。兩用OTG 設(shè)備允許設(shè)備以外設(shè)和主機(jī)兩種方式工作， 支持HNP 協(xié)議和SRP 協(xié)議。將嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)成雙角色OTG設(shè)備就可以和其他USB 接口設(shè)備直接相連，從而進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸。USB OTG結(jié)合了對移動(dòng)應(yīng)用友好的新特性，包括低功耗、更小的USB接頭以及在相同的USB端口上增加了雙重角色的功能。OTG已經(jīng)被越來越多的嵌入式設(shè)備采納。

Linux USB OTG協(xié)議棧體系結(jié)構(gòu)

為了迎合USB OTG成為更多嵌入式終端必備的標(biāo)準(zhǔn)接口這一趨勢，Linux也從2.6版本開始提供對USB OTG的支持。Linux下的USB OTG的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可分為四層。

（1）Controller驅(qū)動(dòng)層

Controller驅(qū)動(dòng)層則是各種具體硬件的控制器的驅(qū)動(dòng)程序，針對于OTG的結(jié)構(gòu)一般包括host controller（UHC）驅(qū)動(dòng)、device controller（UDC）驅(qū)動(dòng)和OTG controller（UOC）驅(qū)動(dòng)。為了保證上層USB通用驅(qū)動(dòng)與具體的controller硬件無關(guān)，Controller驅(qū)動(dòng)層必須根據(jù)Framework層導(dǎo)出的接口為其提供相應(yīng)的實(shí)現(xiàn)。

（2）Framework層

Framework層則是對硬件的抽象層，它的目的就是通過定義一系列的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、函數(shù)和宏定義來抽象所有和controller或device硬件相關(guān)的部分。其中主機(jī)端的USB Core為上層USB device driver和下層的UHC 驅(qū)動(dòng)提供了標(biāo)準(zhǔn)接口，同樣，從機(jī)端的Gadget Framework為上層Gadget driver和下層UDC驅(qū)動(dòng)也都分別提供了一組相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)接口。特別的是，OTG Framework服務(wù)對象不是上層的USB通用驅(qū)動(dòng)而是UHC驅(qū)動(dòng)和UDC驅(qū)動(dòng)，和其下層的UOC驅(qū)動(dòng)，簡單的說就是OTG Framework對上層的USB通用驅(qū)動(dòng)來說是透明的。

（3）USB通用驅(qū)動(dòng)層

USB通用驅(qū)動(dòng)層則是對具體設(shè)備功能的實(shí)現(xiàn)。它們一般是硬件無關(guān)的，只是符合某種USB Class Spec的規(guī)定或者制造商自定義的設(shè)備類型即可。其中主機(jī)端的統(tǒng)稱為USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)（客戶驅(qū)動(dòng)），從機(jī)端的稱為Gadget驅(qū)動(dòng)。

（4）附加層

附加層則是包括諸如：文件系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)、Block I/ O子系統(tǒng)等等。它們主要工作就是產(chǎn)生和消費(fèi)通過下層USB OTG子系統(tǒng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。

支持Mass Storage Class的USB OTG的協(xié)議棧

對于Mass Storage Class的支持是項(xiàng)目研發(fā)設(shè)備的既定目標(biāo)之一。下面就以USB Mass Storage Class為例分析一下該情況下主機(jī)端和從機(jī)端的體系結(jié)構(gòu)。

從機(jī)端的體系結(jié)構(gòu)

通常情況下，從USB設(shè)備的角度來說某一時(shí)刻從機(jī)端只能是屬于某一個(gè)特定種類的設(shè)備，或者說是具有某種特定功能的設(shè)備。而這個(gè)功能的決定者就是從機(jī)端的設(shè)備功能驅(qū)動(dòng)，在Linux里就是gadget驅(qū)動(dòng)。所以gadget驅(qū)動(dòng)的類型以及采用的機(jī)制將很大程度影響USB Gadget子系統(tǒng)和內(nèi)核中其他驅(qū)動(dòng)或子系統(tǒng)的交互方式。

在支持Mass Storage的從機(jī)端結(jié)構(gòu)中，Gadget Mass Storage Device Driver是實(shí)現(xiàn)了從機(jī)端的Mass Storage Class的gadget driver，其目的就是讓使用該gadget driver的從機(jī)連接到主機(jī)上后顯示一個(gè)SCSI硬盤驅(qū)動(dòng)器。實(shí)現(xiàn)該驅(qū)動(dòng)的基本機(jī)制是File-backed，即用一個(gè)普通文件或者一個(gè)block設(shè)備來充當(dāng)該驅(qū)動(dòng)器的后臺(tái)存儲(chǔ)介質(zhì)。另一個(gè)特點(diǎn)就是該驅(qū)動(dòng)也允許后臺(tái)存儲(chǔ)介質(zhì)的可插拔性，例如使用SD卡或MMC卡作為Block設(shè)備來從當(dāng)后臺(tái)存儲(chǔ)介質(zhì)。該驅(qū)動(dòng)支持CB、CBI或者Bluk-only三種Mass Storage傳輸協(xié)議，以及RBC，ATAPI or SFF-8020i，QIC-157，UFI，SFF-8070i ，and transparent SCSI 等協(xié)議。

圖1 支持MSC的Linux USB Gadget Subsystem

圖1描述的就是基于File-backed機(jī)制的支持Mass Storage的Gadget子系統(tǒng)。其中Disk是一個(gè)掛載在本地文件系統(tǒng)上的塊設(shè)備。用戶空間中相應(yīng)的設(shè)備文件節(jié)點(diǎn)/dev/hda1可以讓用戶或其他應(yīng)有程序在用戶模式下對該塊設(shè)備進(jìn)行讀取訪問。另一方面處于內(nèi)核態(tài)的USB Gadget子系統(tǒng)也可以通過VFS對該塊設(shè)備進(jìn)行操控以響應(yīng)主機(jī)端發(fā)送過來的讀寫操作。但同一時(shí)刻對該塊設(shè)備只能有一種訪問方式進(jìn)行，也即本地用戶模式下的應(yīng)用和主機(jī)端只能互斥訪問該塊設(shè)備，以保證塊設(shè)備上的數(shù)據(jù)完畢性。

主機(jī)端的Mass Storage驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)原理是：當(dāng)一個(gè)Mass Storage設(shè)備插入時(shí)，Mass Storage驅(qū)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)kernel線程去控制和處理該設(shè)備。該線程將注冊為一個(gè)虛擬的SCSI控制器，并且該線程會(huì)在設(shè)備插入/拔出時(shí)一直作為SCSI接點(diǎn)存在，這樣可以保證一個(gè)移去的設(shè)備再次插入時(shí)會(huì)被分配同樣的設(shè)備接點(diǎn)/dev。該控制線程從其上層的SCSI中間層接收命令，經(jīng)過必要的完整性檢查后發(fā)送到協(xié)議處理函數(shù)，該處理函數(shù)負(fù)責(zé)在必要的情況下重寫命令到設(shè)備可以接受的形式。在協(xié)議處理函數(shù)處理完畢后，命令被遞交給傳輸處理函數(shù)，由該處理函數(shù)完成具體的命令傳輸、數(shù)據(jù)交換以及獲取設(shè)備狀態(tài)等任務(wù)。在命令被處理完畢后，scsi_done函數(shù)被調(diào)用來通知SCSI中間層該命令被成功處理，可以進(jìn)行下一條命令的接收和處理工作。

主機(jī)端的基本處理流程：用戶從設(shè)備上讀寫數(shù)據(jù)首先通過VFS的通用系統(tǒng)調(diào)用到文件系統(tǒng)，然后由文件系統(tǒng)將通過通用硬盤結(jié)構(gòu)得到塊設(shè)備信息以及讀寫操作傳遞到SCSI中間層進(jìn)行SCSI協(xié)議的封裝。Mass Storage驅(qū)動(dòng)從SCSI中間層獲得相應(yīng)的SCSI命令，將命令封裝成USB Mass Storage Class對應(yīng)的某種傳輸協(xié)議（CB，CBI，或者Bulk-Only），最后封裝成URB發(fā)送到USB Core，并由USB Core將該URB發(fā)送到主機(jī)控制驅(qū)動(dòng)，最終通過USB接口傳給從機(jī)設(shè)備。

便攜式多媒體設(shè)備上的Linux USB OTG體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

根據(jù)目標(biāo)設(shè)備的情況需要對現(xiàn)有的Linux USB OTG架構(gòu)做出一些改動(dòng)。結(jié)合嵌入式目標(biāo)設(shè)備的功能特點(diǎn)和USB規(guī)范提出的Linux USB OTG體系結(jié)構(gòu)不僅設(shè)計(jì)了協(xié)議棧部分，同時(shí)還提出了OTG應(yīng)用框架，該框架是對OTG協(xié)議規(guī)范在應(yīng)用層面上的一種延伸，使得基于該體系結(jié)構(gòu)開發(fā)的 USB OTG設(shè)備具備以下功能以兼容USB OTG規(guī)范：

具備受限的USB Host功能

Device模式下應(yīng)支持Full Speed或者High Speed

Host模式下應(yīng)支持Low Speed， Full Speed，High Speed

具備Target Peripheral List

支持SRP

支持HNP

在使用過程中提供用戶相關(guān)的信息。

此外，為了最終向用戶提供更友好的操作界面，該框架額外支持的功能和特性包括：

Host模式下支持hotplug，能主動(dòng)提示用戶插入設(shè)備的基本信息以及設(shè)備的當(dāng)前狀態(tài)

Device模式下支持用戶選擇和更換設(shè)備功能

可控的SRP

可控的HNP

更豐富的消息、狀態(tài)和提示。

結(jié)束語

易用性和兼容性是便攜式多媒體消費(fèi)電子產(chǎn)品追求的重要目標(biāo)。本文介紹的支持OTG的USB體系結(jié)構(gòu)已經(jīng)在炬力嵌入式Linux 系統(tǒng)中得到實(shí)現(xiàn)，使用該結(jié)構(gòu)開發(fā)的多媒體播放器可以脫離PC的束縛，非常便利地交換數(shù)據(jù)，提高了用戶使用體驗(yàn)，達(dá)到了預(yù)期的市場效果。

蒲 進(jìn)

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