Linux下使用USB模拟ACM串口设备

这个想法之前就在脑袋里有过&＃xff0c;最近公司产品要用到&＃xff0c;所以多做了些了解。

1. USB 简介

USB 是 Universal Serial Bus 的缩写&＃xff0c;从字面上看&＃xff0c;就是通用串行总线的意思。从物理上看&＃xff0c;其实就是一对差分线&＃xff0c;连接两台设备后&＃xff0c;相互间进行数据传输。加上另外两路供电&＃xff08; 5V 和 GND&＃xff09;线&＃xff0c;一共是 4 根线。

那么&＃xff0c;既然是只有一对差分线&＃xff0c;那么该如何决定由谁传给谁呢&＃xff08;如果两边同时在线上建立电平&＃xff0c;线路上的电平会是不确定态的&＃xff0c;以致无法通信&＃xff09;&＃xff1f;这就要说到 USB 传输的一个重要基础&＃xff1a;“询问-应答” 机制—— Device&＃xff08;slave&＃xff09; 设备通常是处在等待状态&＃xff0c;只有 HOST 侧设备发起询问、请求&＃xff0c;它才会在接下来的时间片中使用数据线向 HOST 发送数据。

那么&＃xff0c;谁是 HOST&＃xff0c;谁是 SLAVE 又是由什么来决定的呢&＃xff1f;答案是硬件。也就是说&＃xff0c;你 USB 后面的那块驱动芯片如果是 HOST&＃xff0c;那么&＃xff0c;这个 USB 只能做 HOST 用了。反之&＃xff0c;SLAVE 亦然。比如我们经常见到的&＃xff0c;PC 上的 USB HOST 连接到 U盘、鼠标、键盘这些 SLAVE 设备。

后来有人觉得这样一个设备只能是 HOST 或者只能是 SLAVE 太死板了&＃xff0c;所以又发明了 USB OTG。USB OTG&＃xff08;on-the-go&＃xff0c;大意为在使用时切换身份&＃xff09;是在原来 4 根线的基础上&＃xff0c;又加了一根线&＃xff0c;ID。那块 USB 后面的驱动芯片&＃xff0c;就可以根据这根线&＃xff0c;来选择自己到底该扮演 HOST 还是 SLAVE 的角色。后面我们单独介绍。

另外&＃xff0c;因为使用一对差分线进行数据传输&＃xff0c;所以&＃xff0c;USB 又采用了基于 HUB 的星形拓扑结构&＃xff08;包括根控制器&＃xff0c;最多7 层拓扑&＃xff0c;且7层已不具备挂载 HUB 能力&＃xff0c;只能是功能设备&＃xff09;。所以&＃xff0c;更确切来说&＃xff0c;“HOST-SLAVE“ 是在由 HUB 支持的物理链路之上的传输机制。同时&＃xff0c;HUB 本身也是一个 USB SLAVE 设备。

2. USB 连接过程概述

下图很好的解释了 USB 的连接过程。需注意&＃xff0c;1&＃xff09;如上图的拓扑结构所示&＃xff0c;每个网络内只能有一个 HOST。2&＃xff09; HOST 和 SLAVE 之间&＃xff0c;可以一对一直连&＃xff0c;也可以通过 HUB &＃xff0c;一个 HOST 对应多个 SLAVE。

基本状态包括&＃xff1a;设备插入、设备上电、设备复位、设备获得地址、设备配置完成、挂起状态。下面略做解释。

设备插入&＃xff1a;HOST 侧&＃xff08;可能是在 HUB 上&＃xff0c;也可能是直接在 host controller 上&＃xff09;根据 D&＃43; 和 D- 口的阻抗变化&＃xff0c;来判断是否有 device 插入&＃xff0c;以及判断插入设备的速度类型。

设备上电&＃xff1a;因为 USB 口有供电功能&＃xff08;5V DC&＃xff0c;多为 500-1000 mA &＃xff09;&＃xff0c;所以&＃xff0c;设备又分为 Bus powered 和 self powerd。当然&＃xff0c;即使是设备自己供电&＃xff0c;我们也认为只有当设备已连接&＃xff0c;它才进入powered 状态。设备一旦重新上电&＃xff0c;后面的连接操作要重新执行一次。

设备复位&＃xff1a;因为只有一对差分线&＃xff0c;如果两边同时操作&＃xff0c;那线路上的电平将是不确定态&＃xff0c;根本无法通信。所以&＃xff0c;上电后&＃xff0c;USB device&＃xff08;slave&＃xff09;默认为等待状态&＃xff0c;不进行任何动作&＃xff0c;直到 HOST 发给它一个 Reset 请求。复位完成&＃xff0c;意味着低速/全速/高速的物理通路已经建立。

设备获得地址&＃xff1a;设备复位成功后&＃xff0c;将获得一个由 HOST 分配的地址。分配地址的对话&＃xff0c;将在设备的 endpoint0 上完成。

设备配置完成&＃xff1a;握手&＃xff1f;配置&＃xff1f;反正这一阶段完成&＃xff0c;意味着设备已经 ready了。

挂起状态&＃xff1a;所有 USB Device&＃xff08;slave&＃xff09;在空闲一段时间后&＃xff0c;都必须将自己挂起&＃xff0c;并保持自己的状态&＃xff0c;无论设备已经被分配地址还是没有分配地址。

3. OTG

OTG 增加了一根可以动态配置为 HOST 或者 DEVICE&＃xff08;slave&＃xff09;的数据线&＃xff0c;以 micro USB 接头为例&＃xff0c;其引脚分配如下&＃xff1a;

因为传统的 USB 线缆为 4 根线&＃xff0c;所以&＃xff0c;要将 OTG 设备接入&＃xff0c;需对其进行配置&＃xff08;硬件短接&＃xff09;&＃xff1a;

　　1. 当配置 OTG 设备为 USB Device&＃xff08;slave&＃xff09; 时&＃xff0c;将 ID 脚悬空。

　　2. 当配置 OTG 设备为 USB HOST时&＃xff0c;将 ID 脚接地。

所以&＃xff0c;我们这里&＃xff0c;需要将OTG脚悬空&＃xff0c;来将其配置为 Slave 设备。硬件上面&＃xff0c;买来的 OTG 转接线默认把 OTG USB 设备设置为 HOST&＃xff0c;他们 ID 脚都是接地的。而我们是需要把 OTG 设备当作 Device&＃xff08;slave&＃xff09;来用&＃xff0c;所以&＃xff0c;最终选择了将板子上的 ID 线割断&＃xff0c;使其悬空。

4. 一般的实现结构

前面我们讨论了硬件部分&＃xff0c;同时&＃xff0c;作为通讯接口&＃xff0c;不可能不需要系统及软件层面的协作。先给出一张比较常见的 USB 通讯模型图&＃xff0c;然后我们再做解释&＃xff1a;

对于整个 USB 通讯过程&＃xff0c;我们可以粗略的将其分为“总线层”、“功能层”和“设备层”三个层次。这三个层次的划分&＃xff0c;主要是为了问题的集中解决。其中&＃xff1a;

　　a. 总线层负责解决“点到点”的问题&＃xff0c;主要是保障上一层可以和相邻的端点“对话”&＃xff0c;一般还会提供硬件 buffer 公上层使用&＃xff1b;

　　b. 设备层才有了设备的概念&＃xff0c;HOST 通过 Device&＃xff08;Slave&＃xff09;的 Endpoint0 对其进行配置&＃xff0c;准备好数据管道给上一层使用&＃xff1b;

　　c. 功能层在是 Device&＃xff08;Slave&＃xff09;功能的具体实现&＃xff0c;才能看到一个个“鲜活”的设备&＃xff0c;才是我们看得到的 U盘、鼠标这些设备。

以某安装 Linux 的 PC 为例&＃xff0c;作为 HOST&＃xff0c;其中这三部分工作分别由控制器&＃xff08;如 EHCI 、UHCI 、OHCI&＃xff09;&＃xff0c;USB CORE &＃xff08;对前面控制器的内核支持、设备管理功能等&＃xff09;和 USB 上层驱动&＃xff08;usbmouse、usbkbd、usb-storge&＃xff09;。

我们要实现的 USB 串口&＃xff0c;就是属于 USB 上层驱动部分的实现。只不过&＃xff0c;我们是通过类似于这里 HOST 的结构&＃xff0c;实现了一个 Device(Slave)。

5. g_serial.ko

当前内核 3.0.8 支持 Gadget Serial 接口。也就是说&＃xff0c;如果我们有一个硬件的 USB SLAVE&＃xff08;可以是由 OTG 支持的&＃xff09;&＃xff0c; 这一驱动可以支持我们实现一个软件的 USB 串口&＃xff1b;就像由 PL2303 或者 HM340 硬件实现的 USB Serial 一样。 只有 HOST 控制器是不行的。不管是对 HOST 侧的PC&＃xff0c;还是我们添加 Gadget Serial 驱动支持的 PC&＃xff0c;这条链路看起来都只是一个普通的串口连接。其源代码在 /drivers/usb/gadget/serial.c&＃xff0c;另外还有文档 Documentation/usb/gadget_serial.txt。可自行阅读。&＃xff08;其实&＃xff0c;谷歌的 ADB 工具和这个是差不多的东西&＃xff0c;可能甚至只有驱动号不一样。&＃xff09;

具体应用时&＃xff0c;我们并不需要做太多修改。。。只需要配置&＃xff0c;编译就足够了。我把它编译成了 module&＃xff0c;所以&＃xff0c;需要在文件系统起来之后再做一次 modprobe。

至于 HOST 侧&＃xff0c;据说是都不需要驱动的&＃xff0c;但是&＃xff0c;我在 Windows 上用的时候&＃xff0c;还是安装了 gadget serial v2.4 的&＃xff08;据说不支持 64 位系统&＃xff0c;未验证&＃xff09;&＃xff0c;UBUNTU 上即插即用。