32 位ARM 嵌入式系统扩展USB 接口设计

　　常用的主机与嵌入式外设的高速通信接口有ＬＰＴ　并行口、ＵＳＢ、１３９４　及１０／１００Ｍ　以太网等接口。ＲＳ２３２　不适合高速数据传送，１３９４　接口需要专门的适配器接口成本过高，一般较少使用，ＵＳＢ　接口被广泛用于高、中、低不同速度设备与主机通信，ＵＳＢ２．０　的速度可达４８０Ｍｂ／ｓ，　可传送高清晰数字视频码流，完全可以替代１３９４　接口，ＵＳＢ　与以太网接口相比，采用主从结构，有即插即用特性，驱动程序丰富，互操作性好等优点。

　　ＵＳＢ（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ　Ｓｅｒｉａｌ　Ｂｕｓ，通用串行总线）接口是１９９４　年Ｉｎｔｅｌ、Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ　等多家公司联合推出的计算机外设互连总线协议。ＵＳＢ　接口支持１．５Ｍｂ／ｓ、１２Ｍｂ／ｓ　和４８０Ｍｂ／ｓ　的数据传输速率，支持控制、中断、批量与实时４　种数据传输模式，让外围设备可以有弹性的选择。不管是交换少量或是大量的数据，还是有无时效的限制，都有合适的传输类型。ＵＳＢ的实时同步数据传输模式适合于高速实时音视频数据流的传送。

　　基于ＡＲＭ（Ａｄｖａｎｃｅｄ　ＲＩＳＣ　Ｍａｃｈｉｎｅｓ）处理器的３２　位嵌入系统具有极高运算速度和大容量的数据处理能力，常需要设计高速接口与其他设备通信，为此本文讨论基于Ｓ３Ｃ４４Ｂ０ＸＡＲＭ７　处理器的嵌入式统扩展ＵＳＢ　接口（设备端）的技术方案。

　　１　ＵＳＢ　接口原理

　　ＵＳＢ１．１　规范将ＵＳＢ　分为５　部分：控制器、控制器驱动程序、ＵＳＢ　芯片驱动程序、ＵＳＢ设备以及针对不同ＵＳＢ　设备的客户端驱动程序。

　　（１）　控制器（Ｈｏｓｔ　Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）主要负责执行由控制器驱动程序发出的命令。

　　（２）　控制器驱动程序（Ｈｏｓｔ　Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ　Ｄｒｉｖｅｒ），　在控制器与ＵＳＢ　设备间建立通信管道（Ｐｉｐｅ）。

　　（３）　ＵＳＢ　驱动程序（ＵＳＢ　Ｄｒｉｖｅｒ），提供对不同ＵＳＢ　设备及芯片的支持。

　　（４）　ＵＳＢ　设备（ＵＳＢ　Ｄｅｖｉｃｅ），　有两类ＵＳＢ　设备：一类称为功能设备（Ｆｕｎｃｔｉｏｎ），另一类是称为ＵＳＢ　集线器（ＨＵＢ），可以连接多个ＵＳＢ　设备。

　　（５）　ＵＳＢ　设备驱动程序（Ｃｌｉｅｎｔ　Ｄｒｉｖｅｒ　Ｓｏｆｔｗａｒｅ）及特定应用程序。

　　主控制器的驱动软件由操作系统支持，ＵＳＢ　设备开发人员一般只需编写客户驱动程序，实现特定功能，设备端所有功能软件需要全面设计。

　　ＵＳＢ　的四种数据传输模式分别是：控制型传输、中断型传输、批量型传输、实时型传输。种在缺省通道中传输ＵＳＢ　接口本身的配置等控制信息，后面三种用于功能部件传输数据。中断型用于键盘等的异步输入输出少量数据传输，批量传输主要用于象硬盘等块设备的数据传输，在中断和批量的传输过程中要传递交互握手信号，确保数据准确无误。

　　实时传输对带宽有严格要求，但允许有一定误码，省去了交互握手信号的传递，常用于音视频码流数据传输。四种类型数据都按带宽要求分配在１ｍｓ　一帧的数据帧内进行传输，ＵＳＢ１．０　实时传输可得到的带宽１０．２４Ｍｂｐｓ。

　　２　嵌入式系统ＵＳＢ　接口设计

　　要满足高性能ＡＲＭ嵌入式系统的要求，扩展ＵＳＢ接口必须选择高性能ＵＳＢ控制器芯片，Ｐｈｉｌｉｐｓ公司的ＰＤＩＳＵＢＤ１２　ＵＳＢ器件，是与微处理器配合使用的高性能ＵＳＢ接口器件，性价比很高。ＰＤＩＵＳＢＤ１２主要特性有：

　　（１）　符合ＵＳＢ　１．１　技术规范；

　　（２）　ＵＳＢ控制器并行接口与处理器间的数据传输速度高达２Ｍ　字节／秒；

　　（３）　在批量模式和同步模式下均可实现１Ｍ　字节／秒的数据传输速率；

　　（４）　集成了ＦＩＦＯ存储收发器，支持ＤＭＡ　操作；

　　（５）　内置时钟倍频ＰＬＬ电路，可编程时钟频率输出；

　　（６）　多中断模式实现批量和同步传输；

　　采用ＰＤＩＵＳＢＤ１２　ＵＳＢ标准组件与Ｓ３Ｃ４４Ｂ０Ｘ接口，减小了开发的时间、风险以及费用，是快捷、经济的方法实现ＡＲＭ嵌入式系统扩展ＵＳＢ的解决方案之一。ＰＤＩＵＳＢＤ１２与Ｓ３Ｃ４４Ｂ０Ｘ　ＡＲＭ７处理器的电路图见图２。因ＡＲＭ７用存储器影射方法扩展Ｉ／Ｏ接口，一般按１６ｂｉｔ方式寻址，所以Ｕ２的Ａ０连到Ｕ１的Ａｄｄｒ１引脚，　片选信号ｎＧＣＳ１的基地址是０ｘ０２００＿００００。

　　３　ＡＲＭ　端ＵＳＢ　设备程序

　　设备端程序主要完成：ＡＲＭ　ＢＩＯＳ　和ｕｃＬｉｎｕｘ　的加载、启动通信进程、ＵＳＢ　控制器初始化、响应主控制器标准ＰｎＰ　及其他命令、建立ＵＳＢ　端点（Ｅｎｄ　ｐｏｉｎｔ）逻辑通道、数据传输操作等功能，图３　是基于ＡＲＭ　的ＵＳＢ　设备与ＰＣ　间音频通信的程序功能结构图。

　　操作ＵＳＢ　芯片的接口函数的宏定义为：

　　ｔｙｐｅｄｅｆ　ｕｎｓｉｇｎｅｄ　ｓｈｏｒｔ　ｉｎｔ　Ｕ１６　；

　　＃ｄｅｆｉｎｅ　ｐＤ１２＿ＣＭＤ　（　（　Ｕ１６　＊）　０ｘ０２０００００２　）　／／指向Ｄ１２　命令寄存器指针

　　＃ｄｅｆｉｎｅ　ｐＤ１２＿ＤＡＴ　（　（　Ｕ１６　＊）　０ｘ０２００００００　）　／／指向Ｄ１２　数据寄存器指针

　　＃ｄｅｆｉｎｅ　Ｄ１２ＷｒｉｔｅＣｍｄ（　ｄａｔａ　）　（＊ｐ　Ｄ１２＿ＣＭＤ　＝　（Ｕ１６）（ｄａｔａ）　＆　０ｘｆｆ　）

　　＃ｄｅｆｉｎｅ　Ｄ１２ＷｒｉｔｅＤａｔａ（　ｄａｔａ　）　（＊　ｐＤ１２＿ＤＡＴ　＝　（Ｕ１６）（ｄａｔａ）　＆　０ｘｆｆ　）

　　＃ｄｅｆｉｎｅ　Ｄ１２ＲｅａｄＤａｔａ（）　（＊　ｐＤ１２＿ＤＡＴ　＆　０ｘｆｆ　）

　　４　音频码流ＵＳＢ　设备驱动程序

　　Ｗｉｎｄｏｗｓ２０００　中各种ＵＳＢ　设备客户驱动程序结构框架基本相同，可以从Ｗｉｎｄｏｗｓ２０００ＤＤＫ　中获得ＵＳＢ　设备驱动程序范例代码，对范例代码作少量修改就可以满足特定功能需要。图１　显示了驱动程序各层间的数据传递关系，底层ＵＳＢ　主控制器驱动程序（ＵＳＢ　Ｈｏｓｔ　Ｄｒｉｖｅｒ）由操作系统提供支持，设备驱动程序只需要对ＵＳＢ　Ｈｏｓｔ　Ｄｒｉｖｅｒ　上传的Ｉ／Ｏ　数据包ＩＲＰ　作出响应，并把要输出数据以ＩＲＰ　形式下传给ＵＳＢ　Ｈｏｓｔ　Ｄｒｉｖｅｒ　即可。

　　在ＩＳＯ（实时型）模式下传输音频码流，ＵＳＢ　客户程序除了ＷＤＭ（Ｗｉｎｄｏｗｓ　Ｄｒｉｖｅｒ　Ｍｏｄｅｌ）驱动常规处理外，必须计算好带宽，并为驱动程序在非分页存储区内分配好环行缓冲区（Ｒｉｎｇｂｕｆｆｅｒ），以便ＵＳＢ　主控制器可以不间断输出实时数据。ＲｉｎｇＢｕｆｆｅｒ　的大小按下式

　　计算：

　　每帧字节数　×　每缓冲帧数　×　缓冲区数　；

　　每传完一缓冲区，ＵＳＢ　Ｈｏｓｔ　Ｄｒｉｖｅｒ　回调（ＣａｌｌＢａｃｋ）客户驱动程序，ＵＳＢ　带宽按每１ｍｓ　传送１　帧数据来分配，要实现８ｋＨｚ　采样频率、８ｂｉｔｓ　编码的音频ＰＣＭ　码流传输，帧数据包大小必须设为８Ｂｙｔｅｓ，若设置４　个缓冲区交替工作，每缓冲区分２０　帧传送，　则ＲｉｎｇＢｕｆｆｅｒ　的大小为６４０Ｂｙｔｅｓ，那么ＵＳＢ　主控制器每２０ｍｓ　的频率中断回调客户驱动程序是合适的。

　　驱动程序通过ＩｏＳｅｔＣｏｍｐｌｅｔｉｏｎＲｏｕｔｉｎｅ（）函数给每个ＩＲＰ　设置回调函数入口地址，每完成一个ＩＲＰ　缓冲区数据传送操作，回调该地址指向的函数，以便把下一缓冲包数据压入到ＩＲＰ　栈，直到全部数据流传送完毕或人为终止传送。

　　５　结束语

　　扩展ＵＳＢ　接口，大幅提升了３２　位ＡＲＭ　嵌入式系统数据通信的吞吐能力，有即插即用特性和多种数据传输模式，方案适合于嵌入式系统的多种应用。文章具体阐述了方案硬件、软件设计的关键问题，并讨论了如何分配ＵＳＢ　总线带宽，实现恒速音频ＰＣＭ　码流传送，实验结果表明该方案能流畅地接收Ｗｉｎｄｏｗｓ２０００　通过ＵＳＢ　接口输出话音编码信号，方案可行，具有较高参考价值。

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