概述

USB DRD (Dual-Role Data) 是一种允许 USB 接口在主机与设备角色之间进行动态切换的功能。它打破了传统 USB 连接中角色固定的限制，使设备能够根据连接对象或应用需求灵活改变自身属性。

Ameba 能够软件控制切换角色，从而通过单一物理接口满足系统对扩展性与兼容性的双重需求。

DRD（设备）

DRD（主机）

应用场景

DRD 提升了设备灵活性，Ameba 可调整工作模式，通过单一物理接口适应适应多样化的的交互与扩展需求，例如：

• 智能行车记录仪/运动相机：在主机模式下，Ameba 主动将 GPS 模块轨迹写入外接 U 盘；当插入 PC 时切换为设备模式，模拟成大容量存储设备（MSC），供用户直接拷贝导出文件。

• 工业手持数据终端：在主机模式下，Ameba 连接扫码枪或红外传感器（HID/CDC）采集现场数据；当回到办公室连接 PC 时切换为设备模式，模拟成串口或 U 盘，将采集的日志与报表批量上传至管理系统。

• 车载 CarPlay 互联终端：Ameba 刚上电时处于设备模式，完成必要的初始验证流程；验证通过后切换为主机模式，主动连接车机设备，建立 NCM 和 iAP2 双协议通信以实现 CarPlay 全功能。

协议简介

在 USB 应用中，实现主机与设备角色的切换通常采用以下两种方法：

• 基于 USB OTG (On-The-Go) 协议的硬件切换

  依赖物理线缆的 ID 引脚状态来判定角色。该机制包含以下具体协议：

  • SRP (Session Request Protocol): 允许从设备请求主机开启 VBUS 电源。

  • HNP (Host Negotiation Protocol): 允许连接双方通过协商临时交换 Host/Device 角色。

• 软件控制的 USB DRD 切换

  不依赖物理连接状态，而是由软件直接修改控制器寄存器来进行角色变更。此方式虽不属于标准 USB 传输协议，但具有极高的实用价值。

DRD 软件切换对比 OTG 的核心优势

尽管硬件自动检测具备基础易用性，但在实现复杂、高可靠性的系统时， DRD 软件切换 展现出不可替代的优势：

• 摆脱硬件依赖与适配 Type-C

  • 不依赖 ID 引脚，规避了因硬件设计缺陷或物理损坏导致的失效。

  • 特别是在 Type-C 规范中，OTG 定义的 HNP 协议已被弃用，且无传统 ID 引脚，软件切换成为更符合现代接口规范的方案。

• 灵活的软件切换

  • 支持在不更换物理线缆的情况下动态改变角色，可选择应用主动切换，或外部按键、事件或消息请求等多种方式触发切换。

  • 极大提高了系统的容错率、可维护性以及自动化测试效率。

类驱动

USB DRD 软件控制角色切换本质上属于应用层的功能，主要涉及控制器工作模式的变更，本身并不需要特定的“DRD 类驱动”， 其实质是根据当前的 USB 角色，动态加载相应的标准类驱动。关于 DRD 不同角色下使用的类驱动，请参阅对应设备/主机方案的类驱动章节。

应用示例

应用设计

本节介绍 DRD 应用进行角色切换的开发设计流程，其中设备模式切换为主机模式过程可概括为（反之亦然）：

• 加载设备驱动

• 主动切换或事件/消息等触发切换角色

• 卸载设备驱动

• 加载主机驱动

• 卸载主机驱动

在 MSC 设备和 MSC 主机 的 DRD 应用实例中，Ameba 先作为设备模式，20s 后通过软件强制切换为主机模式，下面介绍具体实现：

加载 MSC 设备驱动

定义配置结构体和回调函数，随后调用初始化接口，对底层存储初始化并加载 USB 设备核心驱动及 MSC 类驱动。

static usbd_config_t usbd_msc_cfg = {
    .speed = CONFIG_USBD_MSC_SPEED,
    .isr_priority = INT_PRI_MIDDLE,
};

static usbd_msc_cb_t usbd_msc_cb = {
    .status_changed = usbd_msc_cb_status_changed  /* USB status change callback. */
};

int ret = 0;
ret = usbd_msc_disk_init();    /* Initializes the underlying storage disk. */
if (ret != HAL_OK) {
    return;
}

ret = usbd_init(&usbd_msc_cfg);     /* Initialize USB device core driver with configuration. */
if (ret != HAL_OK) {
    usbd_msc_disk_deinit();
    return;
}

ret = usbd_msc_init(&usbd_msc_cb);  /* Initializes the MSC device class. */
if (ret != HAL_OK) {
    usbd_msc_disk_deinit();
    usbd_deinit();
    return;
}

卸载 MSC 设备驱动

按加载的反序释放资源。

/* De-initializes the underlying storage disk. */
usbd_msc_disk_deinit();
/* Deinitialize MSC device class driver. */
usbd_msc_deinit();
/* Deinitialize USB device core driver. */
usbd_deinit();

加载 MSC 主机驱动

定义配置结构体和回调函数，随后调用初始化接口，加载 USB 主机核心驱动及 MSC 类驱动。

static usbh_config_t usbh_cfg = {
  .speed = USB_SPEED_HIGH,
  .ext_intr_enable = USBH_SOF_INTR,
  .isr_priority = INT_PRI_MIDDLE,
  .main_task_priority = 3U,
  .tick_source = USBH_SOF_TICK,
  }

static usbh_msc_cb_t usbh_msc_usr_cb = {
  .attach = usbh_msc_cb_attach,                  /* USB device attach callback */
  .setup = usbh_msc_cb_setup,                    /* USB device setup done, indicate that device is ready for bulk transfer */
};

static usbh_user_cb_t usbh_usr_cb = {
  .process = usbh_msc_cb_process
};

int ret = 0;
ret = usbh_init(&usbh_cfg, &usbh_usr_cb);   /* Initialize USB host core driver with configuration and user callback. */
if (ret != HAL_OK) {
    return;
}

ret = usbh_msc_init(&usbh_msc_usr_cb);          /* Initializes the MSC host class with MSC class user callback. */
if (ret != HAL_OK) {
    usbd_msc_disk_deinit();
    return;
}

卸载 MSC 主机驱动

按加载的反序释放资源。

/* Deinitialize MSC host class driver. */
usbh_msc_deinit();
/* Deinitialize USB host core driver. */
usbh_deinit();

备注

• 关于 MSC 设备，参考 存储设备方案。

• 关于 MSC 主机，参考 存储主机方案。

运行方式

本节介绍了一个具备运行时角色切换功能的 USB DRD 应用示例。该示例基于标准 MSC 类驱动，集成了大容量存储主机（MSC Host）与大容量存储设备（MSC Device）的双重功能。

在该示例中，Ameba 可在两种角色间切换：

• MSC 设备模式：作为 MSC 设备连接主机（如 PC）后，可以读写其挂载的存储介质。

• MSC 主机模式：作为 MSC 主机挂载并读写外部插入的 FAT32 文件系统的 MSC 设备（如 U 盘）。

该示例代码路径： {SDK}/component/example/usb/usb_drd，可为开发者设计自定义 USB DRD 产品提供完整的设计参考。

备注

本示例主要用于演示协议栈的双角色切换逻辑，不支持 SD 卡热插拔及 USB 接口热插拔。

配置与编译

• Menuconfig 配置

  在 amebaxxx_gcc_project 目录下，输入 ./menuconfig.py，按下面步骤选择 USB DRD 和设备存储介质，保存退出。

  - Choose `CONFIG USB --->`:
  
          [*] Enable USB
                  USB Mode (DRD)  --->
  
                  *** USB Device Class ***
          [*] MSC
                  Select storage media (SD Card (SD mode))  --->
  
                  *** USB Host Class ***
          [*] MSC
  

• 编译与烧录

  执行编译命令，并烧录生成的 Image 文件至开发板：

  cd amebaxxx_gcc_project
  ./build.py -a usb_drd
  

结果验证

本小节以使用 SD 卡 作为存储介质为例进行演示。

• 启动设备

  将 SD 卡插入开发板的 SD 卡槽并重启开发板，观察串口日志，应显示如下启动信息：

  [DRD-I] USB DRD demo start
  [DRD-I] Init disk
  [DRD-I] Init disk
  [MSC-I] SD init
  [SDH-I] Card Detect
  [SDH-I] Voltage match
  [SDH-I] This is a SDHC/SDXC card...
  [SDH-I] Keep 3.3V...
  [SDH-I] Manufacturer ID:3
  [SDH-I] OEM/Application ID:SD
  [SDH-I] Manufacturing date:2021/5
  [SDH-I] RCA = AAAA
  [SDH-I] CSD Version:2.0
  [SDH-I] User data area capacity: 14 GB
  [SDH-I] Max. read data block length: 512 Bytes
  [SDH-I] Max. write data block length: 512 Bytes
  [SDH-I] SD specification version: 3.0X
  [SDH-I] Data status after erase: 0
  [SDH-I] SD card changes to the specified speed mode successfully
  [SDH-I] SD card is initialized
  [DRD-I] Init device driver
  [USBD-A] INIT
  [DRD-I] Init MSC device class
  [MSC-I] Init
  [DRD-I] MSC device session start
  

• MSC 设备模式测试

  用 USB 线缆将开发板连接到 PC（或其他支持 USB MSC 的主机设备）。

  • 识别与挂载：PC 端文件管理器中应自动弹出一个新的可移动磁盘盘符。

  • 读写测试：用户可以在 20 秒内双击打开该盘符，对其中的文件进行读写操作，验证数据传输是否正常。

  • 角色切换：直到打印出以下日志，表示设备模式结束，准备切换至主机模式：

  [DRD-I] Role switch
  [DRD-I] Deinit MSC device class
  [DRD-I] Deinit device driver
  [USBD-A] DEINIT
  [DRD-I] Deinit disk
  [MSC-I] SD deinit
  [DRD-I] Init host driver
  [DRD-I] Init MSC host driver
  [DRD-I] MSC host session start
  [DRD-I] Register USB disk
  [DRD-I] FatFS USB W/R performance test start...
  

• MSC 主机模式测试

  将开发板的 USB 端口从 PC 断开，使用 USB 线缆将其连接到已格式化为 FATFS 的 U 盘，开发板将识别 MSC 设备并进行读写性能测试。

  [USBH-A] Device attached,speed 0
  [USBH-A] PID: 0x6545
  [USBH-A] VID: 0x0930
  [USBH-A] Address 1 assigned
  [USBH-A] MFG: TOSHIBA
  [USBH-A] PROD: TransMemory
  [USBH-A] SN: C03FD5F7715FE3417000DE76
  [USBH-A] Enum done, total 1 cfg
  [USBH-A] Switch to itf: 0
  [USBH-A] Class: 0x08
  [USBH-A] SubClass: 0x06
  [USBH-A] Protocol: 0x50
  [DRD-I] Host attach
  [MSC-I] Max lun 1
  [MSC-I] Lun 0
  [DRD-I] Host setup
  [DRD-I] Open file: 0:/TEST0.DAT
  [DRD-I] W test: size 512, round 20...
  [DRD-I] W rate 204.0 KB/s for 20 round @ 49 ms
  [DRD-I] R test: size = 512 round = 20...
  [DRD-I] R rate 476.1 KB/s for 20 round @ 21 ms
  [DRD-I] W test: size 1024, round 20...
  [DRD-I] W rate 540.5 KB/s for 20 round @ 37 ms
  [DRD-I] R test: size = 1024 round = 20...
  [DRD-I] R rate 800.0 KB/s for 20 round @ 25 ms
  [DRD-I] W test: size 2048, round 20...
  [DRD-I] W rate 655.7 KB/s for 20 round @ 61 ms
  [DRD-I] R test: size = 2048 round = 20...
  [DRD-I] R rate 1212.1 KB/s for 20 round @ 33 ms
  [DRD-I] W test: size 4096, round 20...
  [DRD-I] W rate 1095.8 KB/s for 20 round @ 73 ms
  [DRD-I] R test: size = 4096 round = 20...
  [DRD-I] R rate 1600.0 KB/s for 20 round @ 50 ms
  [DRD-I] FatFS USB W/R performance test done
  [DRD-I] File close OK