Rockchip RK3399 - USB基础

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开发板 ：NanoPC-T4开发板eMMC ：16GBLPDDR3 ：4GB
显示屏 ：15.6英寸HDMI接口显示屏u-boot ：2023.04linux ：6.3
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一、USB基础知识回顾

在linux驱动移植-usb驱动基础我们对USB总线进行了简单的介绍，其中包括：

• USB协议版本介绍：USB1.0、USB1.1、USB2.0、USB3.0、USB3.1、USB3.2、USB4.0；
• USB接口：伴随着USB版本迭代，USB产生了多种连接器类型规范，比如Type-A、Type-B、Mini-A、Mini-B、Micro-A、Micro-B、Type-C等。

1.1 USB协议版本

从USB协议诞生至今，出现了多个USB协议版本，如USB1.0、USB1.1、USB2.0、USB3.0、USB3.1、USB3.2。最新的是USB4.0协议，可直连CPU的PCIe总线，最大速度可达40Gbps，使用Type-C接口，兼容DP视频协议、PD快充协议等，最高支持100W供电。

USB协议版本	速率称号	最大速率	电源	类型	推出时间
USB1.0	低速(Low-Speed)	1.5Mbps	5V/500mA	半双工	1996年1月
USB1.1	全速(Full-Speed)	12Mbps	5V/500mA	半双工	1998年9月
USB2.0	高速(High-Speed)	480Mbps	5V/500mA	半双工	2000年4月
USB3.0(USB3.2 Gen1)	超高速(SuperSpeed USB)	5Gbps	5V/900mA	全双工(两对数据线和一根屏蔽地线，以及2.0的四根线)	2008年月11月
USB3.1(USB3.2 Gen2)	SuperSpeed USB 10Gbps	10Gbps	20V/5A	全双工(两对数据线和一根屏蔽地线)	2013年月7月
USB3.2(USB3.2 Gen2×2)	SuperSpeed USB 20Gps	20Gbps	20V/5A	dual-lane(2线，每条lane都是一对差分线)	2017年月9月
USB4.0(Gen3×2)	----	40Gbps	100瓦	single-lane或dual-lane，兼容Thunderbolt3	2019年月8月

为了支持更高的传输速度，正常而言，越高版本的USB协议，定义的传输信号线会越多。

USB3.0包括USB2.0的引脚，USB3.1和3.0引脚相同；

• USB2.0：一共有4根引脚，一对差分线D+/D-，还有地线GND、电源线VBUS；

• USB3.0：一共有9根引脚，为了兼容USB2.0除了拥有USB2.0的一对差分线D+/D-、以及地线GND、电源线VBUS外，还会拥有两对差分线(SSTX+和SSTX-及SSRX+和SSRX-)和一根屏蔽地线；

USB3.0和USB2.0使用不同的差分线传输数据，两者互不干扰，可同时工作。USB3.0线缆中保留了USB2.0的数据传输通道，实现了对USB2.0的兼容，另外加了5根线来进行全双工的高速传输。

USB是主从模式的总线，主机称为Host，丛机称为Device(设备)。从机与从机之间、主机与主机之间(不包括USB4.0)，不能互联。每次通信都是由主机发起，从机不能主动发起通信，只能被动的应答主机的请求。

为了增加灵活性，又出现了USB OTG(On The Go)，USB OTG支持主从切换，同一个设备，在不同场合下，可以在主机和从机之间切换。

USB2.0 OTG线中增加了一根USB ID线，当USB ID线上拉时，处于从机模式，当USB ID线接地时，处于主机模式。更多相关内容参考：《Rockchip RK3399 - USB OTG和extcon驱动 》。

1.2 USB框图

这里我们需要补充一些USB相关的硬件知识，因为RK3399驱动编写中会涉及到。

USB芯片内部实现的功能就是接受软件的控制，进而从内存搬运数据并按照USB协议进行数据打包，并串转换后输出到芯片外部。或者从芯片外部接收差分数据信号，串并转换后进行数据打包并写到内存中。

USB芯片一般分为Controller和PHY，以Controller和 PHY 都被封装到SoC为例，如图：

图中绘制的是USB 2.0芯片，其中：

• VBUS ：电压线，主机利用VBUS给USB设备提供工作电压；
• D+ ： 正向传送数据 数据线；
• D-： 反向传送数据 数据线；
• GND：地线；

一般来说如果芯片的USB PHY封装在芯片内，基本采用UTMI+的接口。不封装到芯片内的一般采用ULPI接口，这样可以降低pin的数量。

1.2.1 Controller

控制器部分(Controller)：主要实现USB协议和控制，内部逻辑主要由MAC层、CSR层、FIFO层，还有其他低功耗管理之类层次；

• MAC实现按USB协议进行数据包打包和解包，并把数据按照UTMI/ULPI总线格式发送给PHY；
• CSR层进行寄存器控制，软件对USB芯片的控制就是通过CSR寄存器，这部分和CPU进行交互访问，主要作为Slave通过AXI或者AHB进行交互；
• FIFO控制层主要是和DDR进行数据交互，控制USB从DDR搬运数据的通道，主要作为Master通过AXI/AHB进行交互；

按照设备端关联的USB控制器是工作在主模式还是从模式，将：

• 工作在主模式的USB控制器，称为USB主机控制器 (UHC: USB Host Controller)；
• 工作在从模式的USB控制器，称为USB设备控制器 (UDC: USB Device Controller)；
• 支持主从模式切换的USB控制器称为USB OTG控制器，同一个设备，在不同场合下，可以在主机和从机之间切换；正常模式下每个OTG控制器都可以工作在主机或从机模式下。

USB主机控制器类型：

• OHCI：支持USB 1.1；
• UHCI：支持USB1.0/1.1，与OHCI不兼容；
• EHCI：支持USB2.0；
• xHCI：支持USB3.0；

1.2.2 PHY

USB PHY负责最底层的信号转换，作用类似于网口的PHY。主要实现并转串的功能，把控制器通过 UTMI或ULPI总线传递过来的并行数据转换为串行数据，再通过差分数据线输出到USB接口。

二、RK3399 USB介绍

2.1 USB控制器

RK3399支持4个独立的USB控制器，不同控制器相互独立：

• 两个USB2.0 HOST(EHCI&OHCI)；
• 两个USB3.0/2.0 OTG(DWC3/xHCI)；在官方开发手册中这个有时候也被叫做Type C USB3.0，官方为什么这么称呼呢？我个人认为是因为这个控制器连接的USB3.0 Type-C PHY，可以用来实现USB3.0 Type-C接口；

其中：

• EHCI/OHCI： 表示该USB控制器集成了EHCI控制器和OHCI控制器；
• DWC3/xHCI：表示该USB控制器集成了DWC3控制器和 xHCI控制器；

2.1.1 USB2.0 HOST

支持高速 (480Mbps)，全速 (12Mbps) 和低速 (1.5Mbps)，USB2.0 Host控制器的框图如下图所示;

内部有EHCI和OHCI Host Controller：

• OHCI支持USB1.0和USB1.1;
• EHCI支持USB2.0；

Port Routing Control: 用于选择用EHCI还是OHCI。

USB2.0Host控制器连接到USB2.0 PHY。

EHCI和OHCI Rockchip采用linux内核Generic驱动，一般开发时只需要对设备树作相应配置，即可正常工作。

为了同时支持USB1.0、USB1.1和USB2.0，就需要同时用到EHCI和OHCI，因此需要在设备树中把这两个USB控制器都打开，如：

&usb_host0_ehci {
        status = "okay";
};

&usb_host0_ohci {
        status = "okay";
}

&usb_host1_ehci {
        status = "okay";
};

&usb_host1_ohci {
        status = "okay";
};

这样配置之后，RK3399的两个USB2.0 HOST控制器就使能了，并且同时支持EHCI和OHCI。

2.1.2 USB2.0 OTG

RK3399没有独立的USB2.0 OTG控制器，但有独立的USB3.0 OTG控制器，并且可以向下兼容USB2.0 OTG的完整功能。

USB2.0 OTG 控制器具有以下特性：

• 支持Host模式和Device模式；
• 支持OTG ID检测，并通过ID电平自动切换Host模式和Device模式；
• 不支持 ADP/SRP/HNP协议；
• Host模式支持高速、全速和低速， Device模式只支持高速和全速模式；
• Host模式支持9个通道；
• Device模式支持9个端点(不包括端点0)，其中，4个IN端点，3个OUT端点，2 个IN/OUT双
  向端点；
• 支持1024x35 bits内部FIFO；
• 支持内部DMA，并且支持scatter/gather功能；
• 支持动态配置每个端点的FIFO大小；
• Device模式支持BCD (Battery Charging Detect)；
• 支持UART Bypass模式；

USB2.0 OTG 控制器的框图如下图所示;

2.1.3 USB3.0 OTG

RK3399 USB3.0 OTG使用Synopsys方案，即xHCI扩展的DWC3控制器，Host功能在xHCI框架下实现，而Device功能由DWC3扩展部分实现。

DWC3具有以下特性：

• 支持Control/Bulk(including stream)/Interrupt/Isochronous传输方式；
• USB3.0支持同时执行IN和OUT传输，带宽达到8Gbps；
• 支持描述符缓存 (Descriptor Caching) 和数据预取 (Data Pre-fetching)；
• Device模式支持的IN端点数量和OUT端点数量请参考芯片手册；
• 支持硬件自动处理ERDY和burst；
• 支持端点批量流传输 (bulk stream)；
• 支持USB3.0 DRD (Dual-Role Device) 特性；
• 支持根据OTG ID状态切换Device和Host模式；
• 对于支持Type-C的芯片，支持UFP/DFP角色交换；
• 不支持SRP (session request protocol)，HNP(hostnegotiation protocol)和RSP (Role Swap Protocol)；

USB3.0 xHCI Host特性:

• 最多可以连接64个外设；
• 支持一个中断器；
• 支持一个USB2.0端口和一个USB 3.0端口；
• 支持USB 3.0/USB 2.0并发传输，带宽达到8Gbps；
• 支持标准和开源的xHCI驱动；
• 部分芯片支持xHCI Debug Capability；

USB3.0 OTG 控制器的框图如下图所示;

USB3.0 OTG具有USB3.0 OTG(USB Peripheral和USB Host)功能，且向下兼容USB2.0 OTG功能，大传输速率为5Gbps。

由于USB3.0 HOST控制器为xHCI，集成于DWC3 OTG IP中，所以不用单独为其配置设备树，只需要配置DWC3，并且设置DWC3的dr_mode属性为dr_mode = otg或者dr_mode = host，即可以使能xHCI控制器。

2.2 USB PHY

RK3399支持4个独立的USB PHY：

• 2个USB2.0 PHY：在设备树中分别叫做u2phy0和u2phy1;
• 2个USB3.0 Type-C PHY：在设备树中分别叫做tcphy0和tcphy0；

2.2.1 USB2.0 PHY

USB2.0 PHY支持1个port和2个port两种设计，如下图是支持2个port的框图；

Host Port：通过UTMI+ 连接到USB2.0 Host控制器；

OTG Port：通过UTMI+连接USB3.0/2.0 OTG控制器的USB2.0逻辑模块；

以RK3399为例，每个USB 2.0 PHY都有两个port端口；

• u2phy0：包含u2phy0_host和u2phy0_otg；
• u2phy1：包含u2phy1_host和u2phy1_otg；

2.2.2 USB3.0 Type-C PHY

USB3.0 Type-C PHY具有以下特性

• 支持USB 3.0 (Super-Speed only)；
• 支持DisplayPort 1.3 (RBR,HBR and HBR2 data rates only)；
• 支持DisplayPort AUX通道；
• 支持USB Type-C and DisplayPort Alt Mode；
• 支持DisplayPort Alt Mode on TypeC A, B, C, D, E and F管脚分配；
• 支持正面和反面两个方向;

USB3.0 Type-C PHY框图如下图所示：

USB3.0 Type-C PHY由USB3.0 SuperSpeed PHY和DisplayPort Transmit PHY组成。其中：

• PIPE_IF接上面提到的USB3.0 OTG；
• DPTX_IF接DP；

以RK3399为例；

• tcphy0：包含tcphy0_dp和tcphy0_usb3；
• tcphy1：包含u2phy1_host和u2phy1_otg；

USB3.0 Type-C PHY可以根据实际的应用需求，将物理接口简化设计为USB3.0/2.0 Type-A，USB 3.0/2.0 Micro-B 、USB 3.0/2.0 Type-C等多种接口类型，内核USB驱动已经兼容这几种不同类型的USB接口，只需要根据实际的硬件设计修改对应的板级设备树配置，就可以使能相应的USB接口。

2.3 USB控制器和PHY关系

RK3399 USB控制器和USB PHY的连接示意图如下：

上图中DP是Display Port控制器，DP与USB3.0./2.0 OTG共用USB3.0 Type-C PHY。一个完整的Type-C功能，是由USB3.0 SuperSpeed PHY和USB2.0 OTG PHY两部分组成的，这两部分PHY在芯片内部的硬件模块是独立的，供电也是独立的。

三、硬件原理图

这里我使用的开发板型号是NanoPC-T4，开发板如下图所示；

USB资源如下：

• 2个独立的原生USB2.0 Host Type-A接口；对应开发板上的USBH2、USBH3;
• 1个原生USB3.0 Host Type-A接口；对应开发板上的CON5;
• 1个USB3.0 Type-C， 支持USB3.0 Type-C和 DisplayPort 1.2 Alt Mode on USB Type-C；对应开发板上的TYPE-C/DP;

3.1 USB2.0 Host Type-A

Nanpi-T4 开发板USB2.0 PHY芯片引脚如下图所示：

3.1.1 电源接线

上图中供电依次为VCCA0V9_S3、VCCA1V8_S3、VCC3V3_S3；

(1) 电源VCCA0V9_S3由RT9041B-10GE提供的，这是一款稳压器IC，其输入端为VCC3V3_S5；

RT9041B-10GE由VCC1V8_S3使能，VCC1V8_S3作为使能引脚EN的输入端;

VCC1V8_S3是由PMIC_SLEEP_H(连接RK3399的GPIO1_A5/AP_PWROFF，这个应该是处理的睡眠引脚，处理器睡眠时，输出高电平)引脚控制的；

• PMIC_SLEEP_H为低电平，Q35 N MOS管导通、VCC1V8_S3输出为1.8V；
• PMIC_SLEEP_H为高电平，Q35 MOS管截止、VCC1V8_S3输出为0V；

输入端VCC3V3_S5是由VCC12V0_SYS经过NB680GD降压开关模块转换器输出得到固定3.3V电压，有关电路这里就不截图了。

(2) 电源VCCA1V8_S3由RT9193-18PU5/1.8V提供的，这是一款稳压器IC，其输入端为VCC3V3_SYS；

RT9193-18PU5/1.8V同样由VCC1V8_S3使能。

输入端VCC3V3_SYS同样是由VCC12V0_SYS经过NB680GD降压开关模块转换器输出得到固定3.3V电压。

(3) 电源VCC3V3_S3由RK808提供的，连接RK808电源管理芯片第7号输出引脚VSWOUT1；

3.1.2 Type-A接口接线

HOST0_DM、HOST0_DP连接到USBH2，USBH2为USB2.0 Host Type-A接口；

RK3399	USB2.0 PHY0	USB2.0 Host Type A
HOST0_DP	HOST0_DP	D+
HOST0_DM	HOST0_DM	D-

HOST1_DM、HOST1_DP连接到USBH3，USBH3为USB2.0 Host Type-A接口；

RK3399	USB PHY1	USB2.0 Host Type A
HOST1_DP	HOST1_DP	D+
HOST1_DM	HOST1_DM	D-

如下图所示；

电源VCC5V0_HOST0由RT9724GQW提供的，RT9724GQW是一款USB电源供应IC，集成了过电流保护电路、短路折返电路、热关断电路和欠压锁定电路，其输入端为VCC5V0_SYS。

RT9724GQW由VCC5V0_SYS使能，VCC5V0_SYS作为使能引脚EN的输入端，因此RT9724GQW默认就是使能的。

3.2 USB3.0 Host Type-A

我们使用的开发板Nanpi-T4，其中一个USB3.0 Type-C PHY物理接口被设计为USB3.0 Host Type-A，如下图所示：

3.2.1 Type-A接口接线

其中USB3_DM、USB3_DP、USB3_SSRXN、USB3_SSRXP、USB3_SSTXN、USB3_SSTXP连接到CON5，CON5为USB3.0 Host Type-A接口；

RK3399	USB3.0 Type-C PHY1	USB2.0 PHY1	USB3.0 Host Type A
TYPEC1_TX1P	USB3_SSTXP		TX+
TYPEC1_TX1M	USB3_SSTXN		TX-
TYPEC1_RX1P	USB3_SSRXP		RX+
TYPEC1_RX1M	USB3_SSRXN		RX-
TYPEC1_DM		USB3_DM	D-
TYPEC1_DP		USB3_DP	D+

如下图所示：

电源VCC5V0_HOST2由RT9724GQW提供的，RT9724GQW是一款USB电源供应IC，集成了过电流保护电路、短路折返电路、热关断电路和欠压锁定电路，其输入端为VCC5V0_SYS。

RT9724GQW由VCC5V0_SYS使能，VCC5V0_SYS作为使能引脚EN的输入端，因此RT9724GQW默认就是使能的。

输入端VCC5V0_SYS是由VCC12V0_SYS经过NB679GD降压开关模块转换器输出得到固定5.0V电压。

3.3 USB3.0 Type-C

我们使用的开发板Nanpi-T4，另一个USB3.0 Type-C PHY物理接口被设计为USB3.0 Type-C，如下图所示：

3.3.1 Type-C接口接线

其中TYPEC0_TX1P、TYPEC0_TX1N、TYPEC0_RX1P、TYPEC0_RX1N、TYPEC0_TX2P、TYPEC0_TX2N、TYPEC0_RX2P、TYPEC0_RX2N、TYPEC0_SBU1、TYPEC0_SBU2、TYPEC0_SBU1_DC、TYPEC0_SBU2_DC连接到TYPE-C，TYPE-C为USB3.0Type-C接口；

RK3399	USB3.0 Type-C PHY0	USB2.0 PHY0	USB3.0 Type-C
TYPEC0_TX1P	TYPEC0_TX1P		SSTX1_P
TYPEC0_TX1M	TYPEC0_TX1N		SSTX1_N
TYPEC0_RX1P	TYPEC0_RX1P		SSRX1_P
TYPEC0_RX1M	TYPEC0_RX1N		SSRX1_N
TYPEC0_TX2P	TYPEC0_TX2P		SSTX2_P
TYPEC0_TX2M	TYPEC0_TX2N		SSTX2_N
TYPEC0_RX2P	TYPEC0_RX2P		SSRX2_P
TYPEC0_RX2M	TYPEC0_RX2N		SSRX2_N
TYPEC0_AUXP	TYPEC0_SBU1		SBU1
TYPEC0_AUXM	TYPEC0_SBU2		SBU2
TYPEC0_AUXP_PD_PU	TYPEC0_SBU1_DC		SBU1
TYPEC0_AUXM_PU_PD	TYPEC0_SBU2_DC		SBU2
TYPEC0_DP		TYPEC0_DP	DP1
TYPEC0_DM		TYPEC0_DM	DM1
TYPEC0_DP		TYPEC0_DP	DP2
TYPEC0_DM		TYPEC0_DM	DM2
			TYPEC_CC1
			TYPEC_CC2

如下图所示：

电源VBUS_TYPEC由RT9724GQW提供的，其输入端为VCC5V0_SYS。由GPIO4_D2引脚使能；

3.3.2 fusb302

fusb302是可编程的USB Type-C控制器，支持识别各种USB设备和对应的工作状态，且支持最高100W的PD协议。

其具有一下主要特征：

• 具备自主DRP切换的双重角色功能；
• 根据已连接的设备选择作为Host(主机)或Device(设备)进行连接；
• 通过软件配置为Host(主机)、Device(设备)或双重角色；
• 支持USB功率传递(PD)2.0：

其引脚如下：

引脚	类型	功能
CC1/CC2	I/O	Type-C连接器的配置通道(CC)引脚。最初用于确定插入事件发生以及插入的方向。连接后的功能取决于检测到的操作模式。 作为主机运行时： 1)设置可被连接设备感知的VBUS的允许充电电流 2)用于与使用USB BMC Power Delivery的设备进行通信 3)用于检测已发生的拔出事件 作为设备运行时： 4)指示来自连接的主机的允许下沉电流。用于与使用USB BMC Power Delivery的设备进行通信主要用来 PD协议通信或其他：
VBUS	Input	当作为面向上行端口(设备)运行时，该引脚可用于设备插入和拔出的检测。
VCONN	Power Switch	要将调节输入电源切换到正确的CC引脚作为VCONN以为USB3.1完整功能电缆和其他配件供电。
INIT	Open-Drain Output	中断输出，当有事件发生时，用于通知处理器读取I2C寄存器数据。如：插入/拔出typeC，INIT_N都会拉低一下。
SCL	Input	I2C时钟
SDA	Open-Drain I/O	I2C数据引脚

INT连接的是RK3399的GPIO1_A2引脚，I2C通信使用的是I2C4。

由于这篇文章不是fusb302的专栏，所以就不细说了，具体参考《PD快充 - fusb302驱动调试笔记》。

参考文章

[1] PD快充 - fusb302驱动调试笔记

[2] RK3399 Android7.1 USB模块中的控制器和PHY

[3] RK3399ANDROID7.1 USB TYPE-A的配置

[4] 超详细USB Type-C引脚信号及PCB布局布线介绍

[5] Rockchip_Developer_Guide_USB_CN.pdf

[6] Rockchip_RK3399_Developer_Guide_USB_DTS_CN.pdf

[7] RK平台如何配置USB功能

[8] 正点原子视频

[9] Linux: USB Gadget驱动简介