使用USB Gadget框架让USB变成串口设备

1. 背景介绍

串口是一种经典且对软件工程师友好的通信方式，因为可以在直接使用echo进行通信，不需要驱动，非常的方便，但当使用串口时，往往需要用到杜邦线和usb2ttl设备，虽然软件上面方便了，但是硬件却不方便，因此如果能将常见的USB设备变成串口设备，那么使用串口就会变的非常方便了。
在Linux提供一套较为灵活的Gadget框架，让使用者可以自定义USB设备的功能，本文就会使用该框架将USB设备变成串口设备。

1.1 实验设备

硬件设备：GDK8

GDK8是我的主力开发机，可以非常方便的在ARM上编译代码，免去了交叉编译的苦恼，而它最大的特色就是可以进行JTAG调试。
相信现在非常多的领域都需要研究Linux内核，而传统的内核调试方法就是printk，而像kgdb这样的软件调试器又有调试不了的“盲区”，基于这种情况就只能使用JTAG技术，但市场上的芯片又不给你把JTAG引脚弄出来，于是想要使用JTAG进行调试是非常困难的，但是GDK8可以非常轻松的通过挥码枪与底层的Coresight协议进行交互，进行JTAG调试，大大提高了我解决问题的效率。

1.2 USB总线

USB是Universal Serial Bus，中文是通用串行总线，是英特尔领导开发的一种设备总线，在如今的计算机设备中，可以非常容易的见到USB设备的身影，打开计算机中的设备管理器，就可以在通用串行总线下面看到现在正在工作的USB设备。

当然USB的接口是非常丰富的，比较常见的有USB 2.0、USB 3.0以及USB Type-C，但是从物理上的逻辑结构来说，USB可以分成两大类，分别是主机端 Host和设备端 Device。
其中主机端用于连接具有USB接口的设备（设备端），并读写数据，比如计算机上面的USB接口，而设备端用于连接主机端，比如鼠标、键盘、U盘等USB设备。
OTG（On The Go）是USB 2.0引入的一种模式，在这种模式下USB既可以当主机端，又可以当设备端，双方通过主机协商协议（Host Negotiation Protocol）进行协商，具体谁当主机端，谁当设备端。

1.3 USB设备控制器-UDC

针对USB的这两种逻辑结构，Linux中将USB的驱动也分成两类，分别是USB设备驱动（USB Devices Drivers）和USB器件驱动(USB Gadget Drivers)，而UDC（USB设备控制器 USB Device Controller）可以和USB器件驱动一块工作，作为驱动为其他USB主机端连接的USB设备提供服务，在LInux中可以在/sys/class/udc/目录下看到已注册的UDC设备。

对于UDC而已，有三种重要的文件系统，分别是Gadget File System、Function File System以及Gadget Config File System，Gadget File System供用户空间使用Gadget功能，Function File System是Config File System的重制版，支持产生USB的Gadget功能，Config File System支持配置产生USB设备。

之所以不用system file system是因为sysfs将内核创建的对象暴漏给用户空间，但不允许用户空间对内核空间的对象进行实例化，所以需要Config File System在用户空间对内核空间的对象进行实例化。

2. 所需支持

如果想要使用使用USB Gadget框架定义特殊的USB设备，那么还需要硬件及内核的支持

2.1 OTG

想要使用UDC首先需要USB接口支持OTG，这个非常重要，如果只支持主机端，那么则不能使用UDC。
如果拥有OTG功能，则需要确认USB接口处于OTG模式，可以通过/sys/devices/platform/ff450000.syscon/ff450000.syscon:usb2-phy@100/otg_mode虚文件指定需要的模式。

echo otg > /sys/devices/platform/ff450000.syscon/ff450000.syscon:usb2-phy@100/otg_mode

2.2 内核配置选项

如果想要设备提供USB转串口的功能，首先需要内核提供相应的支持，下面是USB相关的内核配置选项，需要确认它们处于开启状态。

# USB HID support
CONFIG_USB_HID=y
CONFIG_USB_HIDDEV=y
CONFIG_USB_OHCI_LITTLE_ENDIAN=y
CONFIG_USB_SUPPORT=y
CONFIG_USB_COMMON=y
CONFIG_USB_ARCH_HAS_HCD=y
CONFIG_USB=y
CONFIG_USB_ANNOUNCE_NEW_DEVICES=y

# Miscellaneous USB options
CONFIG_USB_OTG=y
CONFIG_USB_MON=y
CONFIG_USB_XHCI_HCD=y
CONFIG_USB_XHCI_PCI=y
CONFIG_USB_XHCI_PLATFORM=y
CONFIG_USB_EHCI_HCD=y
CONFIG_USB_EHCI_ROOT_HUB_TT=y
CONFIG_USB_EHCI_TT_NEWSCHED=y
CONFIG_USB_EHCI_PCI=y
CONFIG_USB_EHCI_HCD_PLATFORM=y
CONFIG_USB_OHCI_HCD=y
CONFIG_USB_OHCI_HCD_PLATFORM=y
CONFIG_USB_ACM=y
CONFIG_USB_WDM=y

# Gadget/Dual-role mode requires USB Gadget support to be enabled
CONFIG_USB_DWC2_DUAL_ROLE=y
CONFIG_USB_SERIAL=y
CONFIG_USB_SERIAL_GENERIC=y
CONFIG_USB_SERIAL_CP210X=y
CONFIG_USB_SERIAL_FTDI_SIO=y
CONFIG_USB_SERIAL_KEYSPAN=y
CONFIG_USB_SERIAL_PL2303=y
CONFIG_USB_SERIAL_OTI6858=y
CONFIG_USB_SERIAL_QUALCOMM=y
CONFIG_USB_SERIAL_SIERRAWIRELESS