1、概述
本文介绍AliOS Things关于USB外接广域网芯片连接入云的方案。物联网设备联网方案，可分为OpenCPU的方式与外接通信芯片的方式。OpenCPU的应用层与网络层运行在同一芯片上，该方式具有较高的集成度，但使得应用、协议在接口、配置、性能等方面产生了耦合，不利于方案的移植与推广。
而采用外接的方式，可以分离应用层与网络层，较好地降低耦合度，提高联网方案的灵活性。例如，MCU运行MQTT应用层协议，而由外接通信芯片（如Wi-Fi、LTE）完成网络层的TCP/IP连接与传输。当然，外接通信芯片的代价，是MCU与通信芯片之间增加了交互成本，需要开发者选择适合应用场景的外接方式。
AliOS Things支持MCU与通信芯片间的多种连接方式，如UART、SPI、SDIO、USB。这些连接方式不仅拓展了基于AliOS Things开发的可选联网方案，还满足了不同应用场景对传输速率需求，如表1所示。其中，HAAS100通过USB外接LTE，可以实现相同厂商不同模组间无缝替换，例如EC20、EC200S。
| 接口 | 最高速率 (Mbps) | 应用场景举例 | MCU + 通信芯片 | |
| 1 | UART | 1.5 | Developerkit，WiFi | STM32L496 + BK7231 |
| 2 | SPI | 20 | HAAS100，Ethernet | HAAS1000 + CH395 |
| 4 | USB | 12 | HAAS100，LTE | HAAS1000 + EC20 |
表1 AliOS Things所支持外接方式以及应用场景
2、USB外接通信芯片的优点
USB本身具有使用方便、数据传输可靠、成本低、省电等优点。而使用USB做为外接通信芯片的通道，将保留这些优点，具体表现为：
2.1、使用方便
- 一个接口可以用于多种设备的连接，用户可以方便地替换所要连接的通信芯片，无需针对不同通信芯片采用不同的连接器和线缆。
- 自动配置，通信芯片接入后，MCU侧可以自动对通信芯片进行识别，并加载对应的驱动程序。
- 支持热插拔，用户可以随时接入或拔出通信芯片，而不会损害硬件设备，也无需重启设备。
- 无需额外供电，USB接口提供了+5V电压，500mA以下电流，一般情况下通信芯片无需额外电源。
2.2、数据传输可靠
- 接收端和线缆硬件规范，保证数据传输在一个平静的接口电器环境中，避免了导致数据错误的大部分噪声干扰。
- 差分传输模式，USB 1.1/2.0采用四线模式，其中D+/D-为数据传输通道，采用差分信号的传输方式，D+/D-需要同时满足电平条件才能判定为0或1，降低了因干扰产生比特跳变的可能性。
- CRC校验，USB硬件自带CRC校验，可检测传输过程中发生的错误。
- 协议确认重传，USB在协议层面提供了确认（ACK/NACK）与重传机制，可从传输错误中恢复。
2.3、成本低、省电
- USB部件成本较低，无论是使用独立的controller，还是使用集成IP的方案，成本都可以控制在合理范围内。并且从可扩展性来看，USB可以支持更多种类的设备连接，而无需硬件上的改动。
- USB使用了省电电路与协议，配合通信芯片的休眠与唤醒功能，可实现整体上的低功耗。
3、实现基于USB通道外接通信芯片
为了实现基于USB通道外接通信芯片，除了要保证MCU具备USB连接硬件能力以外，MCU侧还需要实现USB host协议栈，以完成
- 设备识别
- 驱动加载
- 数据传输
图 1 MCU侧USB Host协议栈结构，包括了Host controller层、Host Core层、Host Class层、USB Device Driver层
MCU侧的USB host协议栈大致分为四层：Host Controller层、Host Core层、Host Class层、USB Device Driver层。其中，Host Controlle是USB host协议栈最底层，负责直接与硬件交互，读写寄存器、中断处理；Host Core是协议栈的核心层，对下负责管理Host controller、设备、接口、端点，并负责设备枚举，对上负责host class的注册、设备的配置以及传输请求处理；Host Class层为各USB host类的实现层，例如HID、CDC、UVC等类。 最后，设备驱动层用于实现与USB设备应用交互逻辑，例如通过AT指令与EC20进行交互。各层的设计细节将在另一篇文章中详细介绍，此处将不再展开。本节将围绕设备识别、驱动加载、数据传输介绍USB外接通信芯片的实现方式。
3.1、设备识别
当通信芯片通过USB连接上MCU后，两者会发生以下对话。
Host：你是什么设备？
Device: 12 01 0100... /* Device Descriptor */
Host：你有几种功能？
Device：09 02 09... /* Configuration Descriptor */
Host：每个功能有几个接口？
Device: 09 04 00... /* Interface Descriptor */
Host：每个接口使用哪几个端点？
Device: 06 05 82... /* Endpoint Descriptor */
Host: 我知道你是谁了，开始传输
Device: OK
....这些问答的目的是为了帮助USB Host准确地对接入的设备进行识别。交互的信息主要包括设备描述符、配置描述符、接口描述符、端点描述符。
3.2、类加载
在枚举过程的最后会根据设备所属类加载驱动。这里有两种加载方式，一种是按设备加载，另一种是按接口加载。以EC20为例，其接口都为vendor类，无法根据接口类进行加载。因此，需要根据设备的Vendor ID（VID）、Product ID（PID）加载对应类。
事实上，针对这一类由vendor定制广域网USB设备，Linux USB驱动的解决方案，是使用专门有文件（usb/serial/option.c）用于存储厂商的VID和PID列表；在枚举时，如果USB设备的VID与PID相匹配，则加载相应驱动（usb/serial/wwan.c）进行处理。如上文所述，EC20有5个接口，其中接口0为DM口、接口1为GPS接口、接口2为AT口、接口3为PPP口、接口4为NDIS口，如图5所示。由于PC端资源是充足的，Linux USB Host在枚举EC20时可以为每个接口创建相应的端点，并允许用户同时操作这些接口（open/read/write）。
图 4 EC20各USB接口功能
然而，在运行RTOS的MCU芯片上USB控制器的资源是有限的，无法同时创建这么多个接口所需要的端点。以HAAS1000为例，除了控制端点0，其USB控制器只有4个端点可供使用。因此，在MCU上枚举过程中需要考虑底层硬件资源限制，否则会导致驱动加载失败。这里采用的策略是复用端点的方式。在加载驱动时，有针对性地选择接口：首先为接口2分配端点资源，用于AT指令交互，保证4G模块联网并获取IP；然后，在其它接口需要使用时，释放端点2的端点资源。
3.3、数据交互
完成类加载后，上层可通过USB通道收发送数据。以EC20的AT接口为例，AliOS Things的AT驱动框架（SAL + AT Utility）可以无缝运行在USB协议栈上。
图 5 基于USB协议栈的AT通道
需要做的工作是使用USB Class API实现AT Utility所需HAL（at_dev_ops_t）即可，如下所示。
/*
* AT dev operation type
*/
typedef struct {
at_dev_type_t type;
/**
* AT device init
*
* @return 0 - success, -1 - failure
*/
int (*init)(void *dev);
/**
* Receive data from AT device
*
* @return 0 - success, -1 - failure
*/
int (*recv)(void *dev,
void *data,
uint32_t expect_size,
uint32_t *recv_size,
uint32_t timeout);
/**
* Send data to AT device.
*
* @return 0 - success, -1 - failure
*/
int (*send)(void *dev,
void *data,
uint32_t size,
uint32_t timeout);
/**
* AT deviec deinit
*
* @return 0 - success, -1 - failure
*/
int (*deinit)(void *dev);
} at_dev_ops_t;在此基础上，使用AT Utility API实现SAL所需HAL（sal_op_t）即可，如下所示。
typedef struct sal_op_s {
struct sal_op_s * next; //<! Next sal_op_t structure
char *version; //<! Reserved for furture use.
char *name; //<! Drvier name
/* Add sal device */
int (*add_dev)(void*);
/**
* Module low level init so that it's ready to setup socket connection.
*
* @return 0 - success, -1 - failure
*/
int (*init)(void);
/**
* Start a socket connection via module.
*
* @param[in] c - connect parameters which are used to setup
* the socket connection.
*
* @return 0 - success, -1 - failure
*/
int (*start)(sal_conn_t *c);
/**
* Send data via module.
* This function does not return until all data sent.
*
*/
int (*send_data)(int fd, uint8_t *data, uint32_t len,
char remote_ip[16], int32_t remote_port, int32_t timeout);
/**
* Get IP information of the corresponding domain.
* Currently only one IP string is returned (even when the domain
* coresponses to mutliple IPs). Note: only IPv4 is supported.
*
*
* @return 0 - success, -1 - failure
*/
int (*domain_to_ip)(char *domain, char ip[16]);
/**
* Close the socket connection.
*
* @return 0 - success, -1 - failure
*/
int (*finish)(int fd, int32_t remote_port);
/**
* Destroy SAL or exit low level state if necessary.
*
* @return 0 - success, -1 - failure
*/
int (*deinit)(void);
/**
* Register network connection data input function
* Input data from module.
* This callback should be called when the data is received from the module
* It should tell the sal where the data comes from.
*
* @return 0 - success, -1 - failure
*/
int (*register_netconn_data_input_cb)(netconn_data_input_cb_t cb);
} sal_op_t;完成以上对接后，上层应用即可以基于标准的套接字API编程，降低了应用层移植成本。相关AT驱动组件介绍请参考AliOS Things帮助文档 SAL组件、AT组件。
4、HaaS100外接4G模组示例
图6 HaaS100通过USB外接EC20
图 7 USB所用排针接线
HaaS100板上排针提供了USB引脚，可以用接USB母口扩展线，与通信模组连接，如图6、7所示。
步骤一：配置
aos make linkkit_demo@haas100 -c config步骤二：配置选择
aos make menuconfig配置
步骤三：编译
aos make步骤四：烧录
请参考HaaS快速开始。
步骤五：启动
该应用运行Linkkit demo，USB枚举成功后，通过AT通道，可以连接入阿里云IoT平台。
5、总结
广域网通信模组通常都提供USB通道，支持AT、PPP、RNDIS、ECM等通信方式。因此，在MCU侧支持USB协议栈，可自动识别枚举各类通信设备，并加载所需的驱动，方便用户上层的开发。本文简要介绍了AliOS Things的USB Host协议栈，并以EC20为例描述了枚举识别过程，同时给出了在USB通道上对接AliOS Things传统AT通道的方式。在后续相关系列文章中，我们将介绍基于USB通道的PPP、RNDIS、ECM方式，并给出相应对比数据。敬请期待。
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