一种Linux下USB设备主从切换实现.doc

一种Linux下USB设备主从切换实现 　　摘 要 USB协议是严格的主从协议，通讯过程中必须有一个做Host，一个做Device。本文阐述了一种在Linux下实现USB Host和Device身份切换的方法。 【关键词】USB OTG Host Device 1 引言 USB协议是严格的主从协议，通讯过程中规定通讯双方必须有一个做Host（比如PC），一个做Device（比如U盘）。但是有些设备可能会希望同时具有两种身份，在某个时刻做Host，另外一个时刻做Device，于是USB IF官方制定了OTG协议，规定两个都支持OTG协议的USB设备可以动态地根据需要进行主从切换。但是真正支持OTG协议的设备并没有流行起来，原因应该有如下： （1）OTG协议实现要复杂些，而实际应用需求不强，市面上真正支持OTG协议的设备也很难找到，单方面支持OTG协议是没有用的，因此各大厂商没有动力推出OTG设备。 （2）USB协议规定Host要给Device供电，而大部分USB设备都是便携设备，对另外一个USB设备供电能力不足。 既然真正支持OTG协议的设备几乎难觅，那么为什么目前市面上很多的音视频播放器或平板电脑都号称支持OTG呢？其实这些设备并没有真正实现OTG协议（包括HNP协议和SRP协议），而只是通过USB线上ID Pin的状态来确立自己究竟是做主设备还是做从设备，一旦身份确认，在通讯过程中是无法动态切换的，所以严格来说这只是一种伪OTG设备。本文将讨论的就是Linux下这种情况的一种具体实现方法。 2 Linux下主从切换方案设计 Linux下该方案总体设计思路如图1： 首先，该方案在内核空间实现一个名为umonitor.ko的驱动程序，该驱动负责侦测USB接口上的变化，判断是否有USB连线，以及是做主设备还是从设备等核心检测工作。如果判断目前是做USB Host，则发出“A_IN”的UEVENT消息；如果判断是做USB Device，则发出“B_IN”的UEVENT消息。 用户空间会有一个名为Umonitord的进程来监听内核的UEVENT消息，如果收到“A_IN”消息，则加载USB Host Controller驱动。USB Host Controller驱动因控制器不同而不一样，比如有ehci驱动或xhci驱动等，上图统一命名为uhc.ko。 同样的，如果Umonitord收到“B_IN”消息，则加载USB Device Controller驱动，该驱动在上图中命名为udc.ko。驱动一旦加载，就执行硬件初始化，并向内核注册，进一步触发进入到设备的枚举通讯流程。 当USB线拔出时，umonitor.ko驱动同样会检测到USB口上的变化（Vbus或ID pin的状态变化），并进而发出“A_OUT”或“B_OUT”消息，由用户空间的Umonitord进程接收到后执行卸载对应驱动的操作。 3 USB Monitor驱动检测流程 前面讲到umonitor.ko驱动完成了核心的插拔判断和主从身份识别的工作，图2是其具体实现流程： 首先如果一个USB设备要实现Host和Device两种身份，它必须在设备接口上采用5 Pin （包括ID pin）的USB接口，而不能采用无ID pin的4 Pin接口（比如PC上常见的Standard A口）。 需要实现主从切换的USB设备，一般会采用5 Pin的mini-AB型插座。图3中左边是USB设备作Host时需要采用的连线，右边是做Device时需要采用的连线（如连接PC）。没有插入连接线时，ID pin默认处于上拉状态，电平状态为1，当做Host时，连接线的ID pin会下拉到地，电平状态为0；当做Device的时候，连接线的ID pin会维持上拉，电平状态为1。主从判断流程中，最关键的一步就是先通过ID pin的状态来确立USB设备的主从判断路径。 当ID pin状态为0时，Vbus上5V供电，此时如果有USB设备插入，会把Dp或Dm Pin执行上拉操作，检测程序通过Dp和Dm上的电平状态判断到有USB设备插入，确立Host身份，发出A_IN消息。 当ID pin状态为1时，Vbus上先断开5V供电，此时如果有通过USB线连接到USB主机端或充电器，Vbus上会依然处于有电状态，检测程序判断确立Device身份，发出B_IN消息。 A_IN消息发出后，USB控制器正式进入Host工作角色，此时如果发生拔线，则ID pin状态会跳变为1，umonitor.ko驱动检测到后发出A_OUT消息，进入下一次检测循环。同样地，B_IN消息发出后，USB控制器进入Device工作角色，此时发生拔