通用串行總線(Universal Serial Bus)是連接計算機系統與外部設備的一種串行總線標準，也是一種輸入輸出接口的技術規範，被廣泛地應用於個人電腦和移動設備等信息通信產品。USB總線是最複雜的總線之一，但其廣泛使用。本文首先直接使用USB相關的驅動的應用，後面再具體開始編程做自己的USB驅動程序。

一.USB概要

1.1 USB的發展歷程

USB1.0最早是在1996年出現，速度只有1.5Mb/s，後經多次發展升級，目前使用廣泛的是USB2.0以及USB3.0，最新的USB3.1與USB3.2也在普及中，各版本性能如下表所示：

USB版本	出現年代	傳輸速度	驅動能力
USB1.0	1996	1.5Mbps	500mA
USB1.1	1998	12Mbps	500mA
USB2.0	2000	480Mbps	500mA
USB3.0	2008	5Gbps	900mA
USB3.1	2013	10Gbps	Type-A 900mA Type-C 100W

1.2 電氣性能

USB2.0及以下版本採用四線通信，如圖1-1所示：

其中ID數據線沒有畫出，只有在OTG功能中才會使用ID這個信號。USB電纜的4根線在USB接口中有固定不變的數字編號以及不同的顏色，這位電纜的識別和使用提供了方便，下表列出了這些數字和顏色規定。

編號	信號	電纜顏色
1	Vbus	紅色
2	D-	白色
3	D+	綠色
4	GND	黑色

USB3.0向下兼容USB2.0所需要的Vbus,D-,D+和GND四個引腳外，還新增了兩組差分導線，加上一組屏蔽線。新增的雙差分線用於超速數據傳輸，新增的屏蔽線作爲屏蔽線終端，用於處理信號中斷和電子干擾。USB 3.0 Standard-A引腳分配如下：

編號	信號	電纜顏色
1	Vbus	紅色
2	D-	白色
3	D+	綠色
4	GND	黑色

引腳編號	信號	描述	插合順序
1	Vbus	Power	Second
2	D-	USB2.0 differential pair	Third
3	D+	USB2.0 differential pair	Third
4	GND	Ground for power return	Second
5	StdA_SSRX-	Super speed receiver differential pair	Last
6	StdA_SSRX+	Super speed receiver differential pair
7	GND_DRAIN	Ground for signal return
8	StdA_SSTX-	Super speed receiver differential pair
9	StdA_SSTX+	Super speed receiver differential pair
Shell	Shield	Connector metal shell	First

二. Gadget介紹

Linux-USB Gadget驅動框架實現了USB協議定義的設備端的軟件功能。Gadget框架提出了一套標準API，在底層，USB設備控制器(USB DeviceController,UDC)驅動則實現這一套API，不同的UDC需要不同的驅動，基於API，Gadget驅動實現了一套硬件無關的功能，這基本可以對應到USB協議裏的各種USB Class。

基於底層提供的資源，Gadget驅動可以運行在各種硬件平臺上。重要的驅動有：

Gadget Zero,類似於dummyhcd,該驅動用於測試udc驅動。它會幫助您通過USB-IF測試。

Ethernet over USB，該驅動模擬以太網網口，它支持多種運行方式：

CDC Ethernet: usb規範規定的CommunicationsDevice Class “Ethernet Model” protocol。

CDC Subset：對硬件要求最低的一種方式，主要是 Linux 主機支持該方式。

RNDIS：微軟公司對CDCEthernet的變種實現。

File-backed Storage Gadget最常見的U盤功能實現。

Serial Gadget實現，包括:

Generic Serial實現（只需要Bulk-in/Bulk-out端點+ep0）

CDC ACM規範實現。

Gadget Filesystem,將GadgetAPI接口暴露給應用層，以便在應用層實現user modedriver。

MIDI: 暴露ALSA接口，提供recording以及playback功能。

三. USB虛擬串口

ZYNQ7000中有兩個USB外設，它們都可以當做OTG功能使用，爲了使其變成可以虛擬串口或U盤等USB從設備，需要將USB配置爲從設備。

1.1 配置內核

Linux內核提供了Gadget模塊，該模塊提供了USB的許多通用功能，包括虛擬串口，大容量存儲設備等功能。在內核編譯時配置其爲編譯成模塊。

在內核文件路徑下make menuconfig後，配置選項：

Device Drivers --->
[*]USB support --->
    [*]USB Gadget Support --->
        [M]USB Gadget Drivers
            ...
            [M]Serial Gadget(with CDC ACM and CDC OBEX support)

保存退出後，編譯內核，在/drivers/usb/gadget目錄下會生成以下驅動文件：

g_serial.ko, libcomposite.ko, usb_f_acm.ko, usb_f_obex.ko, usb_f_serial.ko, u_serial.ko.

配置設備樹，設置USB0爲從設備模式，將原來的dr_mode="host"更改爲：

dr_mode="peripheral"：
&usb0 {
	status = "okay";
	dr_mode = "peripheral";
	phy_type = "ulpi";	
};

生成新的設備樹devicetree.dtb文件。

1.2 加載模塊並測試

將編譯好的內核，設備樹文件放入SD卡，並啓動Linux,按順序加載前面生成的驅動模塊：

Z-turn# insmod u_serial.ko
Z-turn# insmod libcomposite.ko
Z-turn# insmod usb_f_serial.ko
Z-turn# insmod usb_f_obex.ko
Z-turn# insmod usb_f_acm.ko
Z-turn# insmod g_serial.ko
g_serial gadget: Gadget Serial v2.4
g_serial gadget: g_serial ready
zynq-udc: bind to driver g_serial
Z-turn# g_serial gadget: high-speed config #2: CDC ACM config
g_serial gadget: high-speed config #2: CDC ACM config

輸出上述信息表示加載模塊成功。此時打開設備文件發現多了/dev/ttyGS0設備，這個就是虛擬的串口設備。連接USB數據線到電腦，發現設備管理器中增加了一個串口設備(ELMO GMAS(COM14))。WIN7和WIN10會自動加載基於udc標準的串口驅動，即免驅。

打開串口調試助手，在ZYNQ終端中輸入發送測試命令：

Z-turn# echo hello > /dev/ttyGS0

在串口調試助手中可以收到hello\r\n

在ZYNQ終端輸入串口接收命令:

Z-turn# cat /dev/ttyGS0

在串口調試助手中輸入:hello\n，則ZYNQ終端中可以收到hello。

注：在終端中發送與接收串口數據都是以'\n'爲終止條件，即發送的數據會追加'\n'，接收的數據必須在收到'\n'時回顯。

四. USB虛擬U盤

在調試Linux系統時，我們經常需要修改SD卡中的文件，更新文件系統或者Linux內核、設備樹等文件，需要實現通過USB數據線與PC連接，作爲PC的存儲設備，PC可以直接拷貝文件到開發板中，或者把開發板中的文件通過USB數據線拷貝到PC端，實現數據交互。本文辦卡採用Linux3.15內核，ZYNQ7010處理器。

1.1 配置內核

在內核文件路徑下make menuconfig後，配置選項：

Device Drivers --->
[*]USB support --->
    [*]USB Gadget Support --->
        [M]USB Gadget Drivers
            ...
            [M]Gadget Filesystem
            [M]Mass Storage Gadget

編譯內核後，在/drivers/usb/gadget中生成了g_mass_storage.ko文件，把這個文件複製到開發板中。

1.2 PC識別開發板的SD卡

在嵌入式Linux系統中，SD卡在系統中識別爲/dev/mmcblk0,如果有多個分區則每個分區分別是/dev/mmcblk0p1,/dev/mmcblk0p2等，將SD卡目錄掛載到PC中進行讀寫的方法如下：

在終端中執行命令:

Z-turn# modprobe g_mass_storage file=/dev/mmcblk0 removable=1

該命令加載了gadget msc驅動，傳遞SD卡位模塊參數。連接USB數據線到PC，這時在PC端識別了SD卡所有分區，FAT32格式的分區可以顯示內容，對於SD卡的ext4,ext3等文件系統無法在windows中顯示，只顯示一個盤符。此時可以通過USB數據線讀寫SD卡了。

如果只需要掛載一個分區，修改file參數即可：

Z-turn# modprobe g_mass_storage file=/dev/mmcblk0p1 removable=1

1.3 PC識別開發板的內存文件系統(Ramdisk)

首先創建一個50M的內存文件:

Z-turn# dd if=/dev/zero of=/dev/50M bs=1M count=50

加載Gadget相關的模塊:

Z-turn# modprobe g_mass_storage file=/dev/50M removable=1

加載模塊後在windows中彈出是否格式化新增的盤符，格式化爲FAT格式，往該盤符中添加文件，在Linux中將/dev/50M掛載到/mnt目錄下，查看/mnt目錄可以發現添加的文件在其中。

需要注意的是，該文件系統是RAMDISK文件系統，系統重啓後所有的數據內容會丟失。

三. 使用USB共享網絡

使用USB來共享網絡可以不需要連接路由器，減少開發設備。

配置內核：

Device Drivers --->
[*]USB support --->
    [*]USB Gadget Support --->
        [M]USB Gadget Drivers
            ...
            [M]Ethernet Gadget(with CDC Ethernet support)
            [*]  RNDIS support

如下圖所示：

還需要配置RNDIS模塊，其位於：

Device Driver--->
    Network device support
        USB Network Adapters
            [*]Multi-purpose USB Networking Framework
                <M>HOST for RNDIS and ActiveSync devices

編譯內核後,rndis_hos.ko的路徑爲/drivers/net/usb/rndis_host.ko

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一.USB概要

1.1 USB的發展歷程

1.2 電氣性能

二. Gadget介紹

三. USB虛擬串口

1.1 配置內核

1.2 加載模塊並測試

四. USB虛擬U盤

1.1 配置內核

1.2 PC識別開發板的SD卡

1.3 PC識別開發板的內存文件系統(Ramdisk)

三. 使用USB共享網絡

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