在嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展歷程中，Linux操作系統(tǒng)的源碼公開，結(jié)構(gòu)清晰，功能強(qiáng)大，可移植性強(qiáng)等特點(diǎn)使其在嵌入式領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣泛。USB接口的熱插拔，即插即用，數(shù)據(jù)傳輸可靠，擴(kuò)展方便，成本低等優(yōu)點(diǎn)使其逐漸成為嵌入式系統(tǒng)的必備接口之一。目前多數(shù)嵌入式系統(tǒng)僅支持基礎(chǔ)的USB低速或全速外設(shè)，不能滿足人們對高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?。為此，基于AT91RM9200平臺完成了高速USB的硬件設(shè)計(jì)和Linux操作系統(tǒng)下主機(jī)端驅(qū)動程序的開發(fā)。

　　USB是一種靈活的高速接口技術(shù)，可以替代計(jì)算機(jī)中原來的串行口和并行口，但靈活性高也意味著更加復(fù)雜，使得USB設(shè)計(jì)，調(diào)試以及設(shè)計(jì)完成后的驗(yàn)證都比較困難。本文首先對USB規(guī)范做一簡要介紹，然后詳細(xì)討論USB產(chǎn)品在調(diào)試與規(guī)范驗(yàn)證方面的一些實(shí)用技巧。

　　通用串行總線（USB）是一種很流行的接口，可用于那些與個(gè)人計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信的設(shè)備。近年來，所有新PC機(jī)和Mac機(jī)都支持USB技術(shù)，這種接口有足夠的靈活性，既可用于驅(qū)動器和鍵盤之類的普通外圍設(shè)備，也可用于定制按特殊用途設(shè)計(jì)的外設(shè)。此外USB還有一些對用戶和開發(fā)人員都很有吸引力的特性，如從總線向設(shè)備提供電源、易于通過集線器進(jìn)行總線擴(kuò)展，以及主計(jì)算機(jī)對設(shè)備能自動識別等等。

　　1 高速USB硬件接口設(shè)計(jì)

　　目前的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，USB接口的外擴(kuò)主要采用微處理器芯片自帶的USB控制器，一般只支持低速和全速協(xié)議，無法實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸。該設(shè)計(jì)采用AT91RM9200處理器外擴(kuò)ISP1761 USB控制器方案，解決了嵌入式系統(tǒng)下USB設(shè)備的傳輸速度問題。其USB硬件接口部分電路如圖1所示。

　　AT91RM9200是Atmel公司一款基于ARM920T內(nèi)核的微型處理器。它有豐富的系統(tǒng)與應(yīng)用外設(shè)及標(biāo)準(zhǔn)接口，時(shí)鐘頻率可達(dá)180 MHz，并且具有低功耗、低成本、高性能，在嵌入式系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。ISP1761是Philips公司開發(fā)的一款高速USB On The Go（OTG）控制器，芯片內(nèi)集成了64 KB的高速緩沖，大大地提升了系統(tǒng)的處理性能，并且功耗很低，價(jià)格實(shí)惠此外，ISP761還有可配置的32 b／16 b異步CPU接口，該設(shè)計(jì)ISP1761外部數(shù)據(jù)總線設(shè)置為16 b模式。

　　處理器AT91RM9200與外擴(kuò)USB控制器的連接如圖1所示。其中，A[17∶1]為地址線；DATA[15∶0]為數(shù)據(jù)線；WR_N為讀使能；RD_N為寫使能；CS_N片選信號采用NCS2；AT9lRM9200的中斷源1分配給ISP1761作為其中斷信號。處理器和ISP1761之間的數(shù)據(jù)傳輸通過中斷方式實(shí)現(xiàn)，當(dāng)USB接口有中斷產(chǎn)生時(shí)，處理器的中斷服務(wù)程序通過讀取ISP1761的中斷寄存器判斷中斷來源，從而執(zhí)行相應(yīng)的讀／寫操作。

　　2 高速USB軟件驅(qū)動實(shí)現(xiàn)

　　2.1 Linux系統(tǒng)中USB驅(qū)動結(jié)構(gòu)

　　USB內(nèi)核模塊是Linux系統(tǒng)中USB子系統(tǒng)的模塊，它為USB驅(qū)動（設(shè)備和主控制器）提供了一個(gè)統(tǒng)一的接口，以訪問和控制USB硬件。

　　如圖2所示，應(yīng)用程序發(fā)出的USB請求塊（URB）經(jīng)過上層的USB設(shè)備驅(qū)動和USB內(nèi)核后到達(dá)USB主控制器。處于層USB主控制器的驅(qū)動（HCD）是USB主機(jī)直接與硬件交互的軟件模塊，它將解析URB后，再將數(shù)據(jù)發(fā)送到指定的USB設(shè)備上。

　　2.2 ISP1761主控制器驅(qū)動的實(shí)現(xiàn)

　　圖3為ISP1761與操作系統(tǒng)相連接的接口框圖。圖3中，ISP1761要完成操作系統(tǒng)與USB設(shè)備的通信。前者，通過GPIO接口和操作系統(tǒng)平臺的相關(guān)函數(shù)來完成訪問ISP1761硬件的功能；后者，主要實(shí)現(xiàn)將數(shù)據(jù)傳輸給連接的USB設(shè)備，并管理根集中器端口的功能。

　　因此，該設(shè)計(jì)的軟件驅(qū)動部分主要由以下兩個(gè)層次來完成USB主機(jī)端的驅(qū)動功能。

　?。?）ISP1761的HAL層。首先初始化設(shè)備結(jié)構(gòu)，并添加設(shè)備到系統(tǒng)的設(shè)備層。其中，初始化部分主要完成ISP1761資源（如內(nèi)存、中斷等）的初始化設(shè)置和AT91RM9200處理器的初始化設(shè)置，為后期注冊驅(qū)動程序做準(zhǔn)備。一旦注冊成功，驅(qū)動程序就已經(jīng)和設(shè)備綁定，任何用戶態(tài)程序要操作此設(shè)備都可以通過platform_driver結(jié)構(gòu)所定義的函數(shù)進(jìn)行，為地看到主機(jī)在枚舉時(shí)收到什么信息，可以使用USBCheck應(yīng)用軟件包或者新的USB指令驗(yàn)證器工具，USB-IF網(wǎng)站上提供了這兩種工具。USBCheck能觀察描述符、發(fā)送控制請求、觀察結(jié)果以及在集線器和HID（擬人接口設(shè)備）上對設(shè)備做進(jìn)一步測試。下面給出該系統(tǒng)注冊的platform_driver結(jié)構(gòu)：

　　其中，在設(shè)備探測和注銷等函數(shù)中調(diào)用了如下一個(gè)重要的結(jié)構(gòu)體isp1761_dev。該結(jié)構(gòu)體主要包含了ISP1761設(shè)備驅(qū)動的基本信息和中斷處理例程指針。

　?。?）ISP1761的HCD層。Philips公司的ISP1761主控制器芯片遵循EHCI標(biāo)準(zhǔn)。該層在加載和卸載ISP1761主控制器驅(qū)動到內(nèi)核時(shí)被調(diào)用，管理根集中器端口。具體包括主控制器例程、內(nèi)存管理、根集中器和中心集中器的管理、數(shù)據(jù)傳輸?shù)取?/P>

　　其中，pehci_hcd_urb_enqueue（）函數(shù)是該部分所要實(shí)現(xiàn)的重點(diǎn)函數(shù)，主要用于完成將來自USB core層的urb傳輸請求轉(zhuǎn)換成EHCI可識別的傳輸描述結(jié)構(gòu)。安排到EHCI的periodic schedule list 的合適位置。當(dāng)HC完成urb對應(yīng)的傳輸后，EHCI HCD通過urb→cornplete（）通知USB core對應(yīng)的傳輸結(jié)果，終完成通信過程。該函數(shù)的原型如下：

　　3 USB驅(qū)動的調(diào)試使用

　　USB驅(qū)動的正常使用必須在內(nèi)核中正確選擇配置，除了默認(rèn)配置之外，還要添加諸如SCSI設(shè)備的支持，VFAT文件格式的支持，新添加ISP1761驅(qū)動的支持等。ISP1761的驅(qū)動采用模塊方式編譯，系統(tǒng)啟動后，逐層插入驅(qū)動模塊加載USB主控制器驅(qū)動程序到內(nèi)核。此時(shí)，系統(tǒng)插入U(xiǎn)盤可成功獲得分區(qū)，如下所示：

　　執(zhí)行掛載命令mount-t vfat／dev／scsi／host0／busO／target0／lun0／partl／mnt／ usb（前提是已經(jīng)在／mnt目錄下建立了USB目錄，并且U盤的格式為win-dows下的vfat）便可成功掛載U盤到指定的目錄／mnt／usb下。

　　拷貝U盤上的文件到嵌入式系統(tǒng)，經(jīng)多次測試，速度可達(dá)到約100～125 Mb／s，相比傳統(tǒng)的嵌入式Linux系統(tǒng)下對USB的支持，速度得到了很好的提高，基本滿足高速讀／寫的要求。

　　USBCheck的設(shè)備框架測試能讀出描述符并發(fā)送標(biāo)準(zhǔn)請求，這些測試作為初始檢查非常有用，此時(shí)Windows從設(shè)備上檢索到它所想要的信息。主機(jī)對USB設(shè)備枚舉成功后，應(yīng)用軟件可以按預(yù)定用途對設(shè)備進(jìn)行測試，Windows設(shè)備驅(qū)動程序可通過組合API函數(shù)如ReadFile（）、WriteFile（）或DeviceIoControl（）等使應(yīng)用軟件訪問USB設(shè)備。有些不同等級的設(shè)備還有額外支持，如應(yīng)用軟件能以訪問其它驅(qū)動器的同樣方法訪問USB驅(qū)動器，應(yīng)用軟件不必了解驅(qū)動器是使用USB還是其它接口，因?yàn)檫@些細(xì)節(jié)在更低中進(jìn)行處理。對于許多設(shè)備來講，USB等級規(guī)范定義了設(shè)備的預(yù)定功能及固件響應(yīng)，如HID、大容量存貯器件和用于靜止圖像捕獲的設(shè)備等。

　　4 結(jié) 語

　　隨著USB接口在嵌入式領(lǐng)域越來越廣泛的應(yīng)用和嵌入式Linux內(nèi)核的不斷擴(kuò)展，嵌入式Linux內(nèi)核支持的USB設(shè)備和USB主控制器越來越豐富，相應(yīng)的驅(qū)動開發(fā)工作也將日益突出。該設(shè)計(jì)給出了嵌入式Linux系統(tǒng)下高速USB主控制器的硬件設(shè)計(jì)方案和驅(qū)動的實(shí)現(xiàn)方法，在提高系統(tǒng)性能的同時(shí)，降低了成本，有很好的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，給用戶帶來極大的方便。同時(shí)驅(qū)動的模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)保持了其可移植性，對于嵌入式下USB主控制器的驅(qū)動開發(fā)具有很好的借鑒意義。