基于DWC2的USB驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)-USB連接詳解

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基于DWC2的USB驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)-USB連接詳解 (qq.com)

一.前言

之前一直在閱讀手冊(cè)，規(guī)格書(shū)，練習(xí)招式，學(xué)習(xí)心法，從這一篇開(kāi)始我們就要真刀實(shí)槍的干了，當(dāng)然不是一味蠻干。驅(qū)動(dòng)編寫(xiě)，調(diào)試，實(shí)踐的過(guò)程會(huì)結(jié)合閱讀規(guī)格書(shū)，手冊(cè)，理論結(jié)合實(shí)踐，招式和心法要同步進(jìn)行。

二.USB連接需要幾步?

進(jìn)行USB連接需要幾步？我們參考把大象裝進(jìn)冰箱需要幾步：第一步打開(kāi)冰箱門(mén)，第二步把大象裝入冰箱，第三步關(guān)閉冰箱門(mén)，完成。USB連接同樣的簡(jiǎn)單，第一步插上開(kāi)發(fā)板USB接口到電腦，第二步電腦識(shí)別到USB設(shè)備，第三步恭喜你獲得一個(gè)黃色告警對(duì)話框！完美完成！也許很不幸，你沒(méi)有獲得黃色告警對(duì)話框，那么就是失敗了，后面我們會(huì)詳細(xì)介紹怎么去分析調(diào)試。

三.USB連接原理

前面我們已經(jīng)完成了USB連接的操作，實(shí)踐了師傅教的第一招黑虎掏心，but what？我干了什么？前面我們說(shuō)過(guò)需要理論結(jié)合實(shí)踐，招式結(jié)合心法，招式已經(jīng)嘗試了，但是到底是什么原理呢？到底是怎么做到的呢？那么就要從心法去探究，USB江湖的最基礎(chǔ)的心法，就是USB2.0的規(guī)格書(shū)。當(dāng)然招式也有招式的拳譜劍譜，我們這里就對(duì)應(yīng)的使用的USB控制器IP的規(guī)格書(shū)(這里是新思的DDC2)和PHY的規(guī)格書(shū)(microChip的USB334x)。

我們打開(kāi)USB2.0規(guī)格書(shū)，翻到141頁(yè)看到如下圖，主機(jī)(或HUB)端D+和D-均由Rpd=15KΩ的電阻下拉,未接入設(shè)備時(shí)此時(shí)D+和D-都是0V。設(shè)備(或者下級(jí)HUB)端通過(guò)D+或D-上拉Rpu=1.5KΩ來(lái)區(qū)分是全速還是低速設(shè)備，全速設(shè)備D+上拉,低速設(shè)備D-上拉。設(shè)備端的上拉電阻和主機(jī)端下拉電阻分壓得到和未接設(shè)備時(shí)不一樣的電平，主機(jī)檢測(cè)該電平即可知道有設(shè)備插入，原理就是這么簡(jiǎn)單，牛逼的武功也往往是很簡(jiǎn)單，比如六脈神劍也就那么一彈手指。

為什么是上拉1.5K呢，因?yàn)樯侠娮枰ＷC分壓值不小于VIH（min），因?yàn)橹挥袧M足該條件才能被識(shí)別為高，為什么這個(gè)電壓能識(shí)別為高呢，那就是硬件電氣特性決定的了，我喜歡死纏爛打的追問(wèn)的伙伴，可以繼續(xù)深挖到收發(fā)器，晶體管，半導(dǎo)體.... ,如果能追到這一層的那么肯定是孤獨(dú)求敗級(jí)別的高手了，膜拜之。VIH在規(guī)格書(shū)中的要求如下至少要為2V(可以規(guī)格書(shū)中搜索找到)

除了上述要求，上拉電阻還要保證能夠在2.5μs的最小復(fù)位時(shí)間內(nèi)將D+或D-從0V上拉至VIH（min）,因?yàn)樵趶?fù)位結(jié)束時(shí)要進(jìn)行總線狀態(tài)評(píng)估。

2.5uS的要求在如下表格中說(shuō)明,即復(fù)位最短時(shí)間是2.5uS.

綜上要求，具有可拆卸電纜的設(shè)備使用1.5 k? ±5%電阻器連接到3.0 V和3.6 V之間的電壓源（VTERM），以滿足這些要求。帶有固定電纜的設(shè)備可以使用替代端接方式。但是，任何終端的Thevenin(戴維寧)電阻必須不小于900?.注：終端的Thevenin(戴維寧)電阻不包括主機(jī)/集線器上的15 k±5%的電阻。

上拉電阻器上的電壓源必須來(lái)源于USB電纜上提供的電源或由USB電纜上的電源控制，以便在移除VBUS時(shí)，上拉電阻器不會(huì)在其連接的數(shù)據(jù)線上提供電流。即VBUS斷開(kāi)時(shí)上拉也應(yīng)該斷開(kāi)。

上述表中描述的是針對(duì)低速和高速設(shè)備連接檢測(cè)，高速呢，高速設(shè)備的連接檢測(cè)和全速一樣，只是后面速度枚舉有不同，這個(gè)先按下不表，后面再講解。

四.USB連接驅(qū)動(dòng)

驅(qū)動(dòng)編寫(xiě)我們參考控制器IP的手冊(cè)，找到如下寄存器

手冊(cè)P529的5.4.48 DCTL，Offset: 0x804，bit1

可以看到默認(rèn)值是1，即默認(rèn)是斷開(kāi)上拉電阻的，注意這里的邏輯，這個(gè)bit表示斷開(kāi)連接。

軟件寫(xiě)0上拉電阻，這樣在DP或者DM上上拉電阻(根據(jù)速度而定，如何設(shè)置速度枚舉速度后面再講)，這樣主機(jī)就可以檢測(cè)到了。

注意軟件操作這個(gè)bit時(shí)不要過(guò)于頻繁，一般留個(gè)10mS以上充足的間隔時(shí)間，大于上述手冊(cè)中的描述時(shí)間。

注意該位不受控制器軟件復(fù)位影響。

我們的驅(qū)動(dòng)代碼如下，寄存器的操作封裝，參考之前的文章，為什么用宏不用結(jié)構(gòu)體，也有專門(mén)的文章講解，可以去瞅瞅。

static void usb_dev_crtl_sft_discon(uint8_t dis)
{
  if (dis) {
    REG_OTG_DCTL |= DCTL_SOFT_DISCONN;
  } else {
    REG_OTG_DCTL &= ~(DCTL_SOFT_DISCONN);
  }
}

我們之前一直強(qiáng)調(diào)，要了解根本原理，不管學(xué)習(xí)招式還是學(xué)習(xí)心法，一定要追其核心根本原理。那么這個(gè)bit寫(xiě)0就能上拉，到底是怎么實(shí)現(xiàn)的呢，

我們這里操作的是控制器即LINK，但是實(shí)際工作是由PHY去完成的，所以寫(xiě)了這個(gè)bit之后，

LINK會(huì)通過(guò)PHY和LINK之間的UTMI或者ULPI接口告訴PHY，最終由PHY去完成這個(gè)上拉工作。于是乎我們?nèi)シ哖HY的手冊(cè)這里是USB334x，看到如下圖，正是PHY將如下上拉電阻拉高來(lái)實(shí)現(xiàn)連接，至此我們已經(jīng)了解了整個(gè)過(guò)程。

從ULPI的規(guī)格書(shū)中還可以看到實(shí)際是通過(guò)PHY對(duì)應(yīng)的寄存器相關(guān)位配置為不同的模式來(lái)控制的

而UTMI接口中直接對(duì)應(yīng)的是信號(hào)線

這里順便提一下，ULPI對(duì)UTMI引腳的縮減，實(shí)際就是通過(guò)將一些信號(hào)線直接控制轉(zhuǎn)為寄存器控制來(lái)達(dá)到的。

但是有好問(wèn)者，會(huì)問(wèn)那么LINK是怎么告訴PHY要去上拉電阻的呢，問(wèn)得很好，高手總是從刨根問(wèn)底開(kāi)始的。這個(gè)就要了解UTMI和ULPI協(xié)議了，可以參考本系列文章，講解了ULPI協(xié)議，甚至講解了如何使用邏輯分析儀抓包ULPI，那么你就可以抓到ULPI接口上具體的數(shù)據(jù)，來(lái)調(diào)試分析了，比如最終沒(méi)能上拉，通過(guò)ULPI抓包可以確定是沒(méi)有發(fā)送到PHY還是PHY沒(méi)有執(zhí)行，進(jìn)一步縮小范圍。

https://mp.weixin.qq.com/s/e4MCpASUXW4oKzfYOdMRwg

https://mp.weixin.qq.com/s/7oTIgxvrui_ZdjCktFo87g

還有更細(xì)致的會(huì)問(wèn)，那么這個(gè)上拉電阻是所有芯片都會(huì)有嗎，答案是否，有些芯片是沒(méi)有的，比如一些STM32的MCU，這個(gè)時(shí)候需要外部提供上拉電路，使用IO控制。如下(網(wǎng)上隨便找的一張圖)，USB_E來(lái)控制上拉。

五.調(diào)試

上面我們?nèi)绻芸吹诫娔X彈出黃色告警的對(duì)話框，恭喜你，你已經(jīng)練就了第一招黑虎掏心。如果不幸沒(méi)有彈出呢，那么我們就需要進(jìn)行調(diào)試。那么就要派出示波器出來(lái)一展身手了。

我們直接使用示波器監(jiān)控DP和DM的電平，查看初始是否都為0，然后connect后DP，DM是否對(duì)應(yīng)的拉高，拉高的值是否符合要求達(dá)到了VIH（min）。如果沒(méi)有拉高則從以下方面去分析:

1.硬件檢查，使用萬(wàn)用表測(cè)量DP DM到芯片的相應(yīng)引腳是否聯(lián)通，測(cè)試DP，DM是否和地或者VCC短路。如果外置PHY則檢查PHY是否工作，通過(guò)時(shí)鐘等關(guān)鍵引腳判斷。

2.將DP DM配置為普通IO，翻轉(zhuǎn)IO使用示波器查看硬件連通性。強(qiáng)調(diào)下該方式是嵌入式一種常用的測(cè)試方法，用于確認(rèn)IO到硬件上是否正常聯(lián)通，有時(shí)還可以使用IO做時(shí)序分析測(cè)試，即在一定的事件發(fā)生時(shí)翻轉(zhuǎn)IO，用示波器測(cè)量，這比使用軟件定時(shí)器和串口打印更精確。多個(gè)通道還可以可視化展現(xiàn)相位關(guān)系，簡(jiǎn)單的一招確是調(diào)試的大招。

3.檢查DP DM是否按照芯片手冊(cè)配置為了對(duì)應(yīng)的功能，包括輸入輸出模式，功能選擇等，有些芯片可能需要重映射。

4.檢查USB相關(guān)的初始化是否正確，包括時(shí)鐘使能，IO模塊使能，外設(shè)模塊使能，時(shí)鐘配置(比如48M時(shí)鐘源等)，檢查模塊復(fù)位，模塊寄存器保護(hù)等?；刈x寄存器確認(rèn)相應(yīng)的寄存器是否確實(shí)配置成功，回讀總是必要的，可靠性編程中需要考慮，寫(xiě)入不一定成功的，芯片也是有出錯(cuò)概率的。

我這里針對(duì)DWC的IP，測(cè)試代碼如下，10mS進(jìn)行一次斷開(kāi)和連接使用示波器查看

 while(1)
  {
    usb_dev_crtl_sft_discon(0);
    iot_timer_delay_ms(10);
    usb_dev_crtl_sft_discon(1);
    iot_timer_delay_ms(10);
  }

我這里是高速模式，示波器測(cè)試DP波形(黃色)如下:

六.總結(jié)

以上可以看出USB連接原理很簡(jiǎn)單，就是一個(gè)上拉電阻，就好比將大象裝進(jìn)冰箱一樣簡(jiǎn)單。招式雖簡(jiǎn)單，但是其背后的心法，原理確很重要，細(xì)節(jié)也很重要。這就是為什么喬峰使出黑虎掏心如此威力巨大，而一些綠林大漢使出來(lái)確平平無(wú)奇，這是心法和招式理解是否達(dá)到了爐火純晴的地步的區(qū)別。USB連接也是如此，只是知道上拉，還是知道LINK的寄存器如何配置，還是知道LINK和PHY如何通訊告訴PHY去上拉，甚至知道如何去抓包確認(rèn)，還是知道上拉電阻為什么是1.5K有什么要滿足的條件，還是知道芯片不帶上拉如何去外置上拉等等，都是對(duì)應(yīng)不同的級(jí)別?？磥?lái)一招USB連接，一招黑虎掏心也可以分為18級(jí)，只有練到最高級(jí)爐火純青才能所向披靡，遇BUG解BUG，遇fault殺fault。

審核編輯 黃宇