USB主控制器的设计和实现

    在嵌入式系统的发展历程中，Linux操作系统的源码公开，结构清晰，功能强大，可移植性强等特点使其在嵌入式领域应用越来越广泛。USB接口的热插拔，即插即用，数据传输可靠，扩展方便，成本低等优点使其逐渐成为嵌入式系统的必备接口之一。目前多数嵌入式系统仅支持基础的USB低速或全速外设，不能满足人们对高速数据传输的要求。为此，基于AT91RM9200平台完成了高速USB的硬件设计和Linux操作系统下主机端驱动程序的开发。

　　USB是一种灵活的高速接口技术，可以替代计算机中原来的串行口和并行口，但灵活性高也意味着更加复杂，使得USB设计，调试以及设计完成后的验证都比较困难。本文首先对USB规范做一简要介绍，然后详细讨论USB产品在调试与规范验证方面的一些实用技巧。

　　通用串行总线（USB）是一种很流行的接口，可用于那些与个人计算机进行通信的设备。近年来，所有新PC机和Mac机都支持USB技术，这种接口有足够的灵活性，既可用于驱动器和键盘之类的普通外围设备，也可用于定制按特殊用途设计的外设。此外USB还有一些对用户和开发人员都很有吸引力的特性，如从总线向设备提供电源、易于通过集线器进行总线扩展，以及主计算机对设备能自动识别等等。

　　1 高速USB硬件接口设计

　　目前的嵌入式系统设计中，USB接口的外扩主要采用微处理器芯片自带的USB控制器，一般只支持低速和全速协议，无法实现高速数据传输。该设计采用AT91RM9200处理器外扩ISP1761 USB控制器方案，解决了嵌入式系统下USB设备的传输速度问题。其USB硬件接口部分电路如图1所示。

　　AT91RM9200是Atmel公司一款基于ARM920T内核的微型处理器。它有丰富的系统与应用外设及标准接口，时钟频率可达180 MHz，并且具有低功耗、低成本、高性能，在嵌入式系统中应用广泛。ISP1761是Philips公司开发的一款高速USB On The Go（OTG）控制器，芯片内集成了64 KB的高速缓冲，大大地提升了系统的处理性能，并且功耗很低，价格实惠此外，ISP761还有可配置的32 b／16 b异步CPU接口，该设计ISP1761外部数据总线设置为16 b模式。

　　处理器AT91RM9200与外扩USB控制器的连接如图1所示。其中，A[17∶1]为地址线；DATA[15∶0]为数据线；WR_N为读使能；RD_N为写使能；CS_N片选信号采用NCS2；AT9lRM9200的中断源1分配给ISP1761作为其中断信号。处理器和ISP1761之间的数据传输通过中断方式实现，当USB接口有中断产生时，处理器的中断服务程序通过读取ISP1761的中断寄存器判断中断来源，从而执行相应的读／写操作。

　　2 高速USB软件驱动实现

　　2.1 Linux系统中USB驱动结构

　　USB内核模块是Linux系统中USB子系统的模块，它为USB驱动（设备和主控制器）提供了一个统一的接口，以访问和控制USB硬件。

　　如图2所示，应用程序发出的USB请求块（URB）经过上层的USB设备驱动和USB内核后到达USB主控制器。处于层USB主控制器的驱动（HCD）是USB主机直接与硬件交互的软件模块，它将解析URB后，再将数据发送到指定的USB设备上。

　　2.2 ISP1761主控制器驱动的实现

　　图3为ISP1761与操作系统相连接的接口框图。图3中，ISP1761要完成操作系统与USB设备的通信。前者，通过GPIO接口和操作系统平台的相关函数来完成访问ISP1761硬件的功能；后者，主要实现将数据传输给连接的USB设备，并管理根集中器端口的功能。

　　因此，该设计的软件驱动部分主要由以下两个层次来完成USB主机端的驱动功能。

　　（1）ISP1761的HAL层。首先初始化设备结构，并添加设备到系统的设备层。其中，初始化部分主要完成ISP1761资源（如内存、中断等）的初始化设置和AT91RM9200处理器的初始化设置，为后期注册驱动程序做准备。一旦注册成功，驱动程序就已经和设备绑定，任何用户态程序要操作此设备都可以通过platform_driver结构所定义的函数进行，为地看到主机在枚举时收到什么信息，可以使用USBCheck应用软件包或者新的USB指令验证器工具，USB-IF网站上提供了这两种工具。USBCheck能观察描述符、发送控制请求、观察结果以及在集线器和HID（拟人接口设备）上对设备做进一步测试。下面给出该系统注册的platform_driver结构：

　　其中，在设备探测和注销等函数中调用了如下一个重要的结构体isp1761_dev。该结构体主要包含了ISP1761设备驱动的基本信息和中断处理例程指针。

　　（2）ISP1761的HCD层。Philips公司的ISP1761主控制器芯片遵循EHCI标准。该层在加载和卸载ISP1761主控制器驱动到内核时被调用，管理根集中器端口。具体包括主控制器例程、内存管理、根集中器和中心集中器的管理、数据传输等。

　　其中，pehci_hcd_urb_enqueue（）函数是该部分所要实现的重点函数，主要用于完成将来自USB core层的urb传输请求转换成EHCI可识别的传输描述结构。安排到EHCI的periodic schedule list 的合适位置。当HC完成urb对应的传输后，EHCI HCD通过urb→cornplete（）通知USB core对应的传输结果，终完成通信过程。该函数的原型如下：

　　3 USB驱动的调试使用

　　USB驱动的正常使用必须在内核中正确选择配置，除了默认配置之外，还要添加诸如SCSI设备的支持，VFAT文件格式的支持，新添加ISP1761驱动的支持等。ISP1761的驱动采用模块方式编译，系统启动后，逐层插入驱动模块加载USB主控制器驱动程序到内核。此时，系统插入U盘可成功获得分区，如下所示：

　　执行挂载命令mount-t vfat／dev／scsi／host0／busO／target0／lun0／partl／mnt／ usb（前提是已经在／mnt目录下建立了USB目录，并且U盘的格式为win-dows下的vfat）便可成功挂载U盘到指定的目录／mnt／usb下。

　　拷贝U盘上的文件到嵌入式系统，经多次测试，速度可达到约100～125 Mb／s，相比传统的嵌入式Linux系统下对USB的支持，速度得到了很好的提高，基本满足高速读／写的要求。

　　USBCheck的设备框架测试能读出描述符并发送标准请求，这些测试作为初始检查非常有用，此时Windows从设备上检索到它所想要的信息。主机对USB设备枚举成功后，应用软件可以按预定用途对设备进行测试，Windows设备驱动程序可通过组合API函数如ReadFile（）、WriteFile（）或DeviceIoControl（）等使应用软件访问USB设备。有些不同等级的设备还有额外支持，如应用软件能以访问其它驱动器的同样方法访问USB驱动器，应用软件不必了解驱动器是使用USB还是其它接口，因为这些细节在更低中进行处理。对于许多设备来讲，USB等级规范定义了设备的预定功能及固件响应，如HID、大容量存贮器件和用于静止图像捕获的设备等。

　　4 结 语

　　随着USB接口在嵌入式领域越来越广泛的应用和嵌入式Linux内核的不断扩展，嵌入式Linux内核支持的USB设备和USB主控制器越来越丰富，相应的驱动开发工作也将日益突出。该设计给出了嵌入式Linux系统下高速USB主控制器的硬件设计方案和驱动的实现方法，在提高系统性能的同时，降低了成本，有很好的实际应用价值，给用户带来极大的方便。同时驱动的模块化结构设计保持了其可移植性，对于嵌入式下USB主控制器的驱动开发具有很好的借鉴意义。