32 位ARM 嵌入式系統(tǒng)擴(kuò)展USB 接口設(shè)計(jì)
出處：davina 發(fā)布于：2008-09-02 09:38:30
常用的主機(jī)與嵌入式外設(shè)的高速通信接口有ＬＰＴ 并行口、ＵＳＢ、１３９４ 及１０／１００Ｍ 以太網(wǎng)等接口。ＲＳ２３２ 不適合高速數(shù)據(jù)傳送，１３９４ 接口需要專門的適配器接口成本過高，一般較少使用，ＵＳＢ 接口被廣泛用于高、中、低不同速度設(shè)備與主機(jī)通信，ＵＳＢ２．０ 的速度可達(dá)４８０Ｍｂ／ｓ， 可傳送高清晰數(shù)字視頻碼流，完全可以替代１３９４ 接口，ＵＳＢ 與以太網(wǎng)接口相比，采用主從結(jié)構(gòu)，有即插即用特性，驅(qū)動(dòng)程序豐富，互操作性好等優(yōu)點(diǎn)。
?。眨樱拢ǎ眨睿椋觯澹颍螅幔臁。樱澹颍椋幔臁。拢酰?，通用串行總線）接口是１９９４ 年Ｉｎｔｅｌ、Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ 等多家公司聯(lián)合推出的計(jì)算機(jī)外設(shè)互連總線協(xié)議。ＵＳＢ 接口支持１．５Ｍｂ／ｓ、１２Ｍｂ／ｓ 和４８０Ｍｂ／ｓ 的數(shù)據(jù)傳輸速率，支持控制、中斷、批量與實(shí)時(shí)４ 種數(shù)據(jù)傳輸模式，讓外圍設(shè)備可以有彈性的選擇。不管是交換少量或是大量的數(shù)據(jù)，還是有無時(shí)效的限制，都有合適的傳輸類型。ＵＳＢ的實(shí)時(shí)同步數(shù)據(jù)傳輸模式適合于高速實(shí)時(shí)音視頻數(shù)據(jù)流的傳送。
基于ＡＲＭ（Ａｄｖａｎｃｅｄ ＲＩＳＣ?。停幔悖瑁椋睿澹螅┨幚砥鞯模常病∥磺度胂到y(tǒng)具有極高運(yùn)算速度和大容量的數(shù)據(jù)處理能力，常需要設(shè)計(jì)高速接口與其他設(shè)備通信，為此本文討論基于Ｓ３Ｃ４４Ｂ０ＸＡＲＭ７ 處理器的嵌入式統(tǒng)擴(kuò)展ＵＳＢ 接口（設(shè)備端）的技術(shù)方案。
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?。眨樱拢保薄∫?guī)范將ＵＳＢ 分為５ 部分：控制器、控制器驅(qū)動(dòng)程序、ＵＳＢ 芯片驅(qū)動(dòng)程序、ＵＳＢ設(shè)備以及針對(duì)不同ＵＳＢ 設(shè)備的客戶端驅(qū)動(dòng)程序。
?。ǎ保】刂破鳎ǎ龋铮螅簟。茫铮睿簦颍铮欤欤澹颍┲饕?fù)責(zé)執(zhí)行由控制器驅(qū)動(dòng)程序發(fā)出的命令。
?。ǎ玻】刂破黩?qū)動(dòng)程序（Ｈｏｓｔ?。茫铮睿簦颍铮欤欤澹颉。模颍椋觯澹颍?， 在控制器與ＵＳＢ 設(shè)備間建立通信管道（Ｐｉｐｅ）。
?。ǎ常。眨樱隆◎?qū)動(dòng)程序（ＵＳＢ?。模颍椋觯澹颍?，提供對(duì)不同ＵＳＢ 設(shè)備及芯片的支持。
?。ǎ矗。眨樱隆≡O(shè)備（ＵＳＢ Ｄｅｖｉｃｅ）， 有兩類ＵＳＢ 設(shè)備：一類稱為功能設(shè)備（Ｆｕｎｃｔｉｏｎ），另一類是稱為ＵＳＢ 集線器（ＨＵＢ），可以連接多個(gè)ＵＳＢ 設(shè)備。
?。ǎ担。眨樱隆≡O(shè)備驅(qū)動(dòng)程序（Ｃｌｉｅｎｔ?。模颍椋觯澹颉。樱铮妫簦鳎幔颍澹┘疤囟☉?yīng)用程序。
主控制器的驅(qū)動(dòng)軟件由操作系統(tǒng)支持，ＵＳＢ 設(shè)備開發(fā)人員一般只需編寫客戶驅(qū)動(dòng)程序，實(shí)現(xiàn)特定功能，設(shè)備端所有功能軟件需要全面設(shè)計(jì)。
?。眨樱隆〉乃姆N數(shù)據(jù)傳輸模式分別是：控制型傳輸、中斷型傳輸、批量型傳輸、實(shí)時(shí)型傳輸。種在缺省通道中傳輸ＵＳＢ 接口本身的配置等控制信息，后面三種用于功能部件傳輸數(shù)據(jù)。中斷型用于鍵盤等的異步輸入輸出少量數(shù)據(jù)傳輸，批量傳輸主要用于象硬盤等塊設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸，在中斷和批量的傳輸過程中要傳遞交互握手信號(hào)，確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確無誤。
實(shí)時(shí)傳輸對(duì)帶寬有嚴(yán)格要求，但允許有一定誤碼，省去了交互握手信號(hào)的傳遞，常用于音視頻碼流數(shù)據(jù)傳輸。四種類型數(shù)據(jù)都按帶寬要求分配在１ｍｓ 一幀的數(shù)據(jù)幀內(nèi)進(jìn)行傳輸，ＵＳＢ１．０ 實(shí)時(shí)傳輸可得到的帶寬１０．２４Ｍｂｐｓ。
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要滿足高性能ＡＲＭ嵌入式系統(tǒng)的要求，擴(kuò)展ＵＳＢ接口必須選擇高性能ＵＳＢ控制器芯片，Ｐｈｉｌｉｐｓ公司的ＰＤＩＳＵＢＤ１２?。眨樱缕骷?，是與微處理器配合使用的高性能ＵＳＢ接口器件，性價(jià)比很高。ＰＤＩＵＳＢＤ１２主要特性有：
?。ǎ保》希眨樱隆。保薄〖夹g(shù)規(guī)范；
?。ǎ玻。眨樱驴刂破鞑⑿薪涌谂c處理器間的數(shù)據(jù)傳輸速度高達(dá)２Ｍ 字節(jié)／秒；
（３） 在批量模式和同步模式下均可實(shí)現(xiàn)１Ｍ 字節(jié)／秒的數(shù)據(jù)傳輸速率；
?。ǎ矗〖闪耍疲桑疲洗鎯?chǔ)收發(fā)器，支持ＤＭＡ 操作；
?。ǎ担?nèi)置時(shí)鐘倍頻ＰＬＬ電路，可編程時(shí)鐘頻率輸出；
?。ǎ叮《嘀袛嗄Ｊ綄?shí)現(xiàn)批量和同步傳輸；
采用ＰＤＩＵＳＢＤ１２ ＵＳＢ標(biāo)準(zhǔn)組件與Ｓ３Ｃ４４Ｂ０Ｘ接口，減小了開發(fā)的時(shí)間、風(fēng)險(xiǎn)以及費(fèi)用，是快捷、經(jīng)濟(jì)的方法實(shí)現(xiàn)ＡＲＭ嵌入式系統(tǒng)擴(kuò)展ＵＳＢ的解決方案之一。ＰＤＩＵＳＢＤ１２與Ｓ３Ｃ４４Ｂ０Ｘ?。粒遥停诽幚砥鞯碾娐穲D見圖２。因ＡＲＭ７用存儲(chǔ)器影射方法擴(kuò)展Ｉ／Ｏ接口，一般按１６ｂｉｔ方式尋址，所以Ｕ２的Ａ０連到Ｕ１的Ａｄｄｒ１引腳， 片選信號(hào)ｎＧＣＳ１的基地址是０ｘ０２００＿００００。
?。场。粒遥汀《耍眨樱隆≡O(shè)備程序
設(shè)備端程序主要完成：ＡＲＭ?。拢桑希印『停酰悖蹋椋睿酰〉募虞d、啟動(dòng)通信進(jìn)程、ＵＳＢ 控制器初始化、響應(yīng)主控制器標(biāo)準(zhǔn)ＰｎＰ 及其他命令、建立ＵＳＢ 端點(diǎn)（Ｅｎｄ ｐｏｉｎｔ）邏輯通道、數(shù)據(jù)傳輸操作等功能，圖３ 是基于ＡＲＭ 的ＵＳＢ 設(shè)備與ＰＣ 間音頻通信的程序功能結(jié)構(gòu)圖。
操作ＵＳＢ 芯片的接口函數(shù)的宏定義為：
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４ 音頻碼流ＵＳＢ 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序
?。祝椋睿洌铮鳎螅玻埃埃啊≈懈鞣NＵＳＢ 設(shè)備客戶驅(qū)動(dòng)程序結(jié)構(gòu)框架基本相同，可以從Ｗｉｎｄｏｗｓ２０００ＤＤＫ 中獲得ＵＳＢ 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序范例代碼，對(duì)范例代碼作少量修改就可以滿足特定功能需要。圖１ 顯示了驅(qū)動(dòng)程序各層間的數(shù)據(jù)傳遞關(guān)系，底層ＵＳＢ 主控制器驅(qū)動(dòng)程序（ＵＳＢ?。龋铮螅簟。模颍椋觯澹颍┯刹僮飨到y(tǒng)提供支持，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序只需要對(duì)ＵＳＢ?。龋铮螅簟。模颍椋觯澹颉∩蟼鞯模桑稀?shù)據(jù)包ＩＲＰ 作出響應(yīng)，并把要輸出數(shù)據(jù)以ＩＲＰ 形式下傳給ＵＳＢ Ｈｏｓｔ?。模颍椋觯澹颉〖纯伞?/FONT>
在ＩＳＯ（實(shí)時(shí)型）模式下傳輸音頻碼流，ＵＳＢ 客戶程序除了ＷＤＭ（Ｗｉｎｄｏｗｓ?。模颍椋觯澹颉。停铮洌澹欤?qū)動(dòng)常規(guī)處理外，必須計(jì)算好帶寬，并為驅(qū)動(dòng)程序在非分頁存儲(chǔ)區(qū)內(nèi)分配好環(huán)行緩沖區(qū)（Ｒｉｎｇｂｕｆｆｅｒ），以便ＵＳＢ 主控制器可以不間斷輸出實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。ＲｉｎｇＢｕｆｆｅｒ 的大小按下式
計(jì)算：
每幀字節(jié)數(shù) × 每緩沖幀數(shù) × 緩沖區(qū)數(shù)?。?/FONT>
每傳完一緩沖區(qū)，ＵＳＢ Ｈｏｓｔ?。模颍椋觯澹颉』卣{(diào)（ＣａｌｌＢａｃｋ）客戶驅(qū)動(dòng)程序，ＵＳＢ 帶寬按每１ｍｓ 傳送１ 幀數(shù)據(jù)來分配，要實(shí)現(xiàn)８ｋＨｚ 采樣頻率、８ｂｉｔｓ 編碼的音頻ＰＣＭ 碼流傳輸，幀數(shù)據(jù)包大小必須設(shè)為８Ｂｙｔｅｓ，若設(shè)置４ 個(gè)緩沖區(qū)交替工作，每緩沖區(qū)分２０ 幀傳送， 則ＲｉｎｇＢｕｆｆｅｒ 的大小為６４０Ｂｙｔｅｓ，那么ＵＳＢ 主控制器每２０ｍｓ 的頻率中斷回調(diào)客戶驅(qū)動(dòng)程序是合適的。
驅(qū)動(dòng)程序通過ＩｏＳｅｔＣｏｍｐｌｅｔｉｏｎＲｏｕｔｉｎｅ（）函數(shù)給每個(gè)ＩＲＰ 設(shè)置回調(diào)函數(shù)入口地址，每完成一個(gè)ＩＲＰ 緩沖區(qū)數(shù)據(jù)傳送操作，回調(diào)該地址指向的函數(shù)，以便把下一緩沖包數(shù)據(jù)壓入到ＩＲＰ 棧，直到全部數(shù)據(jù)流傳送完畢或人為終止傳送。
?。怠〗Y(jié)束語
擴(kuò)展ＵＳＢ 接口，大幅提升了３２ 位ＡＲＭ 嵌入式系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信的吞吐能力，有即插即用特性和多種數(shù)據(jù)傳輸模式，方案適合于嵌入式系統(tǒng)的多種應(yīng)用。文章具體闡述了方案硬件、軟件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題，并討論了如何分配ＵＳＢ 總線帶寬，實(shí)現(xiàn)恒速音頻ＰＣＭ 碼流傳送，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方案能流暢地接收Ｗｉｎｄｏｗｓ２０００ 通過ＵＳＢ 接口輸出話音編碼信號(hào)，方案可行，具有較高參考價(jià)值。
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