USB 主机与设备驱动

1. 概述

1.1 功能简介

USB（Universal Serial Bus）通用串行总线，是嵌入式系统中最常用的外设接口之一。RK3576 内置多路 USB 控制器，支持 USB 2.0（480Mbps）和 USB 3.0（5Gbps）标准，支持主机（Host）和设备（Device）模式，可用于连接 U 盘、键盘鼠标、摄像头、USB 转串口模块等外设。

1.2 应用场景

USB Host：连接 U 盘、移动硬盘、USB 键盘鼠标
USB Device：设备作为 USB 从设备，实现 USB 网络、串口、存储等功能
USB OTG：支持 Host/Device 动态切换（如 Type-C 接口）
USB 转串口：连接 CH340/CP2102/FT232 等 USB 转串口模块
USB 摄像头：连接 UVC 兼容 USB 摄像头

1.3 工作原理

RK3576 的 USB 控制器支持以下特性：

特性	说明
USB 2.0	最高 480Mbps，支持 Host/Device
USB 3.0	最高 5Gbps，支持 Host
OTG	支持 Host/Device 动态切换
端点	最多 16 个 IN + 16 个 OUT 端点
DMA	支持 DMA 传输，减少 CPU 负载

详见 RK 官方文档：[《Rockchip_Developer_Guide_Linux_Software_CN.pdf》]

2. 硬件准备

2.1 硬件清单

组件	型号/规格	数量	备注
主控板	C-3576BQ 核心板 + M4-R2 底板	1
调试串口线	USB 转 TTL（3.3V）	1	波特率 1500000
USB U 盘	任意 USB 2.0/3.0 U 盘	1	用于 Host 测试
USB 线	Type-A / Type-C	1	用于 Host/Device 测试
USB 键盘/鼠标（可选）	USB HID 设备	1	用于 Host 测试

2.2 引脚连接

USB Host（Type-A）

底板上通常已集成 USB Type-A 接口，直接插入 U 盘即可。M4-R2 底板具体的 USB 接口数量与类型以实际物料为准（待板上验证）。

USB Device（Type-C）

底板上 Type-C 接口同时支持 Host 和 Device 模式：

主控板引脚	Type-C 引脚	功能说明
USB3.0_DP0	TX1	USB 3.0 发送
USB3.0_DM0	TX2	USB 3.0 接收
USB2.0_DP0	D+	USB 2.0 数据+
USB2.0_DM0	D-	USB 2.0 数据-
5V	VBUS	USB 电源
GND	GND	共地

2.3 硬件确认

# 查看 USB 控制器
lsusb
# 输出示例：Bus 001 Device 001: ID 1d6b:0002 Linux Foundation 2.0 root hub

# 查看 USB 设备详情
lsusb -v

# 查看 USB 存储设备
lsblk | grep sd

3. 软件准备

3.1 内核配置

确认以下内核配置已启用：

CONFIG_USB=y
CONFIG_USB_XHCI_HCD=y
CONFIG_USB_XHCI_PCI=y
CONFIG_USB_EHCI_HCD=y
CONFIG_USB_OHCI_HCD=y
CONFIG_USB_DWC3=y
CONFIG_USB_DWC3_OF_SIMPLE=y
CONFIG_USB_STORAGE=y
CONFIG_USB_UAS=y
CONFIG_USB_SERIAL=y
CONFIG_USB_SERIAL_CH341=y
CONFIG_USB_SERIAL_CP210X=y
CONFIG_USB_SERIAL_FTDI_SIO=y
CONFIG_OF=y

3.2 设备树

RK3576 的 USB 控制器在设备树中定义（以下为 RK 平台通用结构示例）：

usb_host0_ehci: usb@fd800000 {
    compatible = "generic-ehci";
    reg = <0x0 0xfd800000 0x0 0x20000>;
    interrupts = <GIC_SPI 135 IRQ_TYPE_LEVEL_HIGH>;
    clocks = <&cru HCLK_USB2HOST0>, <&cru Clk_USB2HOST0_REF>;
    clock-names = "usb", "ref_clk";
    phys = <&u2phy0_otg>;
    phy-names = "usb-phy";
    status = "disabled";
};

usb3otg0: usb@fce80000 {
    compatible = "rockchip,rk3576-dwc3", "rockchip,rk3568-dwc3";
    reg = <0x0 0xfce80000 0x0 0x10000>;
    resets = <&cru SRST_A_USB3OTG0>, <&cru SRST_USB3OTG0>;
    reset-names = "usb3-otg", "usb3-otg-upstream";
    clocks = <&cru CLK_USB3OTG0_REF>, <&cru CLK_USB3OTG0_SUSPEND>,
             <&cru ACLK_USB3OTG0>, <&cru CLK_UTMI_OHCI_USB3OTG0>;
    clock-names = "ref_clk", "suspend_clk",
                  "aclk_u3", "hclk_u3";
    phys = <&u2phy0_otg>, <&usb2phy0>;
    phy-names = "usb-phy", "u2phy";
    dr_mode = "otg";
    status = "disabled";
};

以上寄存器基地址、中断号与时钟标识为 RK 平台通用结构示例，具体数值以实际发布的 RK3576 SDK 设备树为准（待板上确认）。

4. 操作步骤

4.1 USB Host 模式测试

# 插入 U 盘后查看
lsusb
lsblk

# 挂载 U 盘
mkdir -p /mnt/usb
mount /dev/sda1 /mnt/usb

# 读写测试
ls /mnt/usb/
dd if=/dev/zero of=/mnt/usb/test.bin bs=1M count=10
cat /mnt/usb/test.bin > /dev/null

# 卸载 U 盘
umount /mnt/usb

4.2 USB Device 模式测试

# 加载 USB gadget 配置
modprobe libcomposite

# 创建 USB gadget（以 USB 串口为例）
cd /sys/kernel/config/usb_gadget
mkdir g_serial
cd g_serial

echo 0x1d6b > idVendor   # Linux Foundation
echo 0x0104 > idProduct   # Multifunction Composite Gadget
echo 0x0100 > bcdDevice
echo 0x0200 > bcdUSB

mkdir configs/c.1
mkdir functions/acm.usb0

ln -s functions/acm.usb0 configs/c.1/
echo "ff500000.usb3otg0" > UDC

# 检查 USB 设备
lsusb

4.3 USB OTG 模式切换

# 查看当前 OTG 模式
cat /sys/class/udc/ff500000.usb3otg0/current_role
# 输出：host 或 peripheral

# 手动切换为 Device 模式
echo peripheral > /sys/class/udc/ff500000.usb3otg0/current_role

# 切换为 Host 模式
echo host > /sys/class/udc/ff500000.usb3otg0/current_role

以上 UDC 名称（ff500000.usb3otg0）为示例，实际名称以板卡 sysfs 输出为准。

4.4 通过 debugfs 查看 USB 信息

# 查看 USB 控制器状态
cat /sys/kernel/debug/usb/devices

# 查看 USB 电源管理
cat /sys/bus/usb/devices/usb1/power/runtime_status

5. 代码详解

5.1 内核中 USB 驱动的注册

// RK3576 USB3.0 OTG 控制器驱动（简化）
// drivers/usb/dwc3/dwc3-rockchip.c

static struct platform_driver rockchip_dwc3_driver = {
    .probe  = rockchip_dwc3_probe,
    .remove = rockchip_dwc3_remove,
    .driver = {
        .name = "rockchip-dwc3",
        .of_match_table = rockchip_dwc3_match,
    },
};

static const struct of_device_id rockchip_dwc3_match[] = {
    { .compatible = "rockchip,rk3576-dwc3" },
    { /* sentinel */ }
};

5.2 用户空间 USB 操作的内核调用链

用户空间 lsusb
  → usb_dev_open()
    → usb_enumerate_device()
      → usb_get_device_descriptor()
        → usb_get_string_descriptor()
          → 获取 USB 设备信息

6. 常见问题

6.1 USB 设备无法识别

现象： 插入 U 盘后 lsusb 无输出

解决方案：

# 检查 USB 控制器是否正常
dmesg | grep -i usb

# 检查 USB 电源管理
echo on > /sys/bus/usb/devices/usb1/power/control

# 检查 USB 时钟
cat /sys/kernel/debug/clk/clk_usb3otg0_ref/clk_rate

确认设备树中 USB 节点 status = "okay"，检查 VBUS 电源（5V）是否正常。

6.2 USB 传输速度慢

现象： USB 3.0 设备只有 USB 2.0 速度

解决方案：

# 检查 USB 连接速度
lsusb -t
# 输出应显示 SuperSpeed（5Gbps）

# 检查 USB 3.0 PHY 状态
# 具体 debugfs 路径以实际板卡输出为准
cat /sys/kernel/debug/usb/ff500000.usb3otg0/phy

确认 USB 数据线支持 USB 3.0（SS 信号完整），检查 PHY 配置。

6.3 USB 设备频繁断连

现象： USB 设备反复断开重连

解决方案：

# 查看 USB 错误日志
dmesg | grep -i "usb.*error\|usb.*disconnect"

# 禁用 USB 自动挂起
echo -1 > /sys/bus/usb/devices/usb1/power/autosuspend

检查 USB 供电是否稳定（5V/500mA），排查数据线质量。