在USB On-The-Go（OTG）架构中，HNP（Host Negotiation Protocol，主机协商协议）和SRP（Session Request Protocol，会话请求协议）是实现设备动态切换主机与从设备角色的关键协议。而ID引脚作为USB OTG接口的重要组成部分，承担着硬件层面角色判定的职责。要实现HNP和SRP协议的功能，硬件和软件必须紧密协同工作。以下将从硬件和软件两个层面详细解释HNP和SRP协议如何依赖于ID引脚，以及内核如何配置双角色切换并与硬件交互。
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1. USB-OTG的ID引脚
1.1 ID引脚的功能
- 角色判定：
- ID引脚接地（GND）：设备通常被配置为主机（Host）模式。
- ID引脚悬空（未连接）：设备通常被配置为从设备（Peripheral）模式。
1.2 ID引脚的控制方式
- 硬件控制：
- 跳线帽：通过外部跳线帽连接或断开ID引脚，实现设备角色的固定切换。这是一种静态配置，角色固定不变，除非手动调整跳线帽。
- 电平转换电路：某些设计中，ID引脚的电平状态由专用的电平转换电路控制，允许更灵活的角色管理。
- GPIO控制：高级设计中，CPU可以通过GPIO（通用输入输出）端口动态控制ID引脚，实现软件层面的角色切换。
- 软件控制：
- 动态角色切换：通过GPIO或其他控制手段，软件可以在运行时改变ID引脚状态，从而实现动态的角色切换。
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2. HNP和SRP协议简介
2.1 Session Request Protocol (SRP) - 会话请求协议
- 定义与功能：
- SRP允许从设备在没有外部主机的情况下主动发起会话请求，启动主机模式。
- 工作流程：
- 会话请求：从设备通过拉高VBUS电压（通常通过控制ID引脚）向主设备发送会话请求信号。
- 主设备响应：主设备检测到SRP信号后，提供电源并切换到主机模式，建立通信会话。
2.2 Host Negotiation Protocol (HNP) - 主机协商协议
- 定义与功能：
- HNP允许已经建立连接的双角色设备在主机和从设备之间动态切换角色。
- 工作流程：
- 初始连接：设备A作为主机，设备B作为从设备建立初始连接。
- 角色切换请求：设备B需要切换为主机时，通过HNP向设备A发起角色切换请求。
- 协商与切换：设备A同意后，设备A切换为从设备，设备B切换为主机，双方角色互换。
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3. HNP和SRP协议与ID引脚的关系
3.1 硬件层面：ID引脚的电平状态
- 初始角色确定：
- 跳线帽固定：通过硬件跳线帽将ID引脚接地或悬空，固定设备为主机或从设备。
- 动态控制：通过GPIO等方式，软件可以动态控制ID引脚状态，实现角色的切换。
- 与协议的关联：
- 固定角色：如果通过跳线帽固定了主机和从设备角色，通常无需HNP/SRP协议进行动态切换。
- 动态角色：如果设备支持并启用HNP/SRP协议，ID引脚的状态可以通过协议协商动态变化，实现角色切换。
3.2 协议层面：HNP/SRP对ID引脚的影响
- SRP与ID引脚：
- 会话启动：当从设备通过SRP协议发起会话请求时，硬件需要通过拉高VBUS（控制ID引脚）来切换为主机模式。
- 电平控制：SRP的实现通常需要软件通过GPIO等手段控制ID引脚的电平状态，从而物理上实现角色切换。
- HNP与ID引脚：
- 角色切换：通过HNP协议，设备需要在已建立连接后动态切换角色，这需要软件层面协调硬件（ID引脚）的状态变化。
- 协商过程：HNP协商成功后，软件需要控制ID引脚切换角色，同时USB控制器相应地调整其工作模式。
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4. 软件与硬件的协同工作机制
4.1 内核配置双角色切换
- 驱动支持：
- Dual-Role USB驱动：内核中需要启用支持双角色（Dual-Role）的USB驱动，如Linux内核中的DWC2驱动。
- 设备树（Device Tree）配置：
- 角色模式设置：通过设备树文件中的dr_mode属性，指定USB控制器的初始角色模式（host、peripheral、otg）。
usb_otg {
compatible = "generic,usb-otg";
dr_mode = "otg"; // 支持双角色模式
// 其他配置项
};
- GPIO控制：
- ID引脚的GPIO映射：设备树中需要配置GPIO控制ID引脚，通常通过gpio节点指定。
usb_otg {
compatible = "generic,usb-otg";
dr_mode = "otg";
gpio_id = <&gpio 5 0>; // 假设ID引脚连接到GPIO5
// 其他配置项
};
4.2 内核与硬件的交互
- 角色切换的触发：
- 协议层触发：当HNP/SRP协议需要切换角色时，驱动层通过API调用控制GPIO，以改变ID引脚的电平状态。
- GPIO驱动：内核中的GPIO驱动负责将软件层的命令转换为硬件电平信号，实际控制ID引脚的状态。
- USB控制器的响应：
- 物理模式切换：USB控制器根据ID引脚的电平状态切换其工作模式（主机或从设备）。
- 协议处理：切换后的模式将影响USB协议栈的行为，如重新初始化USB总线、重新分配资源等。
4.3 HNP和SRP协议的实现
- 驱动支持：
- USB Gadget/UCSI：内核中的USB Gadget子系统或UCSI（USB Type-C Connector System Software Interface）模块实现了HNP和SRP协议的逻辑。
- 角色协商流程：
- HNP触发：设备通过协议要求切换角色，驱动层调用GPIO驱动改变ID引脚电平。
- 硬件响应：USB控制器检测到ID引脚电平变化，切换工作模式。
- 协议处理：切换后的协议栈重新初始化，确保新角色下的通信正常。
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5. 芯片支持HNP和SRP协议的具体体现
5.1 硬件支持
- USB控制器具备双角色能力：
- 如DesignWare USB2 DRD Core支持Dual-Role模式，能够根据ID引脚状态灵活切换主从角色。
- ID引脚电平检测与控制：
- 芯片内部具备对ID引脚电平状态的检测逻辑，并通过内置电路或外部GPIO驱动实现电平控制。
5.2 软件支持
- 驱动程序实现：
- 驱动程序包含HNP和SRP协议的实现逻辑，能够根据协议要求调用GPIO控制ID引脚。
- 协议栈集成：
- USB协议栈集成了对HNP和SRP协议的支持，能够处理协议协商的各个步骤，如请求角色切换、确认切换等。
- 固件协同：
- 某些芯片可能需要特定的固件支持，以实现更高效或更稳定的HNP/SRP协议处理。
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6. 具体实现流程
6.1 初始化阶段
- 启动设备：
- 内核加载USB驱动，读取设备树配置，初始化USB控制器。
- 角色判定：
- 根据ID引脚的电平状态（由跳线帽或GPIO控制），USB控制器初始化为主机或从设备模式。
6.2 SRP会话启动
- 从设备发起SRP：
- 从设备需要启动会话，通过驱动层调用GPIO改变ID引脚状态，拉高VBUS电压。
- 主设备响应：
- 主设备检测到VBUS电压变化，切换为主机模式，建立通信会话。
6.3 HNP角色切换
- 发起切换请求：
- 当前主设备需要切换为从设备，通过HNP协议向从设备发起角色切换请求。
- 协商与切换：
- 驱动层通过GPIO改变ID引脚状态，从设备检测到请求，同意后切换为主机角色，原主设备切换为从设备模式。
- 完成切换：
- 双方完成角色切换，新的主机和从设备角色生效，通信按新角色进行。
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7. 总结与关键点
- ID引脚的硬件角色判定：
- ID引脚的电平状态通过硬件（跳线帽、GPIO）控制，决定设备的主机或从设备角色。
- HNP和SRP协议的依赖：
- HNP和SRP协议需要硬件支持ID引脚的电平控制，通过软件驱动层实现协议逻辑与硬件控制的协同。
- 内核配置与驱动实现：
- 内核通过设备树配置USB控制器的双角色能力，驱动程序实现协议逻辑并控制ID引脚，实现软件与硬件的互动。
- 双角色切换的实现：
- 通过HNP和SRP协议，设备在通信过程中可以动态切换角色，驱动通过控制ID引脚实现硬件层面的切换，保证协议层面的协商顺利进行。
- 芯片支持的具体体现：
- 芯片通过内置的USB控制器、ID引脚电平检测与控制逻辑，与驱动程序的协议实现协同工作，支持HNP和SRP协议的功能。
通过以上综合解释，可以看出，HNP和SRP协议的实现不仅依赖于软件协议栈的逻辑处理，还需要硬件层面对ID引脚的准确控制与检测。内核中的双角色驱动通过设备树配置和GPIO控制，实现了软件与硬件的紧密结合，从而支持HNP和SRP协议，确保USB-OTG设备能够在主机与从设备角色之间灵活切换，实现稳定的网络通信。
