嵌入式Linux下高速USB主控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：針對(duì)現(xiàn)有嵌入式Linux系統(tǒng)下USB讀／寫速度慢的問題，結(jié)合AT91RM9200處理器的開發(fā)實(shí)例，介紹一種基于Philips公司的USB接口控制芯片ISP1761來實(shí)現(xiàn)低成本高速USB主機(jī)控制器的硬件設(shè)計(jì)方法。在此基礎(chǔ)上，給出了驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)方案及相應(yīng)驅(qū)動(dòng)的配置、編譯、下載使用等過程。測(cè)試表明．其速度達(dá)到USB 2．0規(guī)范的要求，對(duì)嵌入式下低成本USB主控制器的硬件設(shè)計(jì)和驅(qū)動(dòng)開發(fā)有一定的參考價(jià)值。
關(guān)鍵詞：Linux；驅(qū)動(dòng)程序；USB；ISP1761

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。隨著嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展，人們對(duì)其性能的要求不斷提高，特別是USB設(shè)備的讀寫速度受到越來越多的關(guān)注。然而。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(duì)高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?。為此，基于AT91RM9200平臺(tái)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(dòng)程序的開發(fā)。

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，單次處理數(shù)據(jù)達(dá)32 KB，極大地提升了系統(tǒng)的處理性能，并且功耗很低，其內(nèi)部集成了Slave主機(jī)控制器和外設(shè)控制器。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(hào)采用NCS2；AT9lRM9200的中斷源1分配給ISP1761作為其中斷信號(hào)。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(dòng)實(shí)現(xiàn)

2．1 Linux系統(tǒng)中USB驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)

USB內(nèi)核模塊是Linux系統(tǒng)中USB子系統(tǒng)的核心模塊，它為USB驅(qū)動(dòng)(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(qǐng)求塊(URB)經(jīng)過上層的USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)和USB內(nèi)核后到達(dá)USB主控制器。處于最底層USB主控制器的驅(qū)動(dòng)(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(dòng)的實(shí)現(xiàn)

圖3為ISP1761與操作系統(tǒng)相連接的接口框圖。圖5中，ISP1761要完成操作系統(tǒng)與USB設(shè)備的通信。驅(qū)動(dòng)部分主要分兩個(gè)層次：ISP1761硬件抽象層(HAL)和主控制器驅(qū)動(dòng)(HCD)層。前者，通過GPIO接口和操作系統(tǒng)平臺(tái)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(dòng)部分主要由以下兩個(gè)層次來完成USB主機(jī)端的驅(qū)動(dòng)功能。

(1)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(cè)驅(qū)動(dòng)程序做準(zhǔn)備。如果系統(tǒng)成功添加了設(shè)備，在加載和卸載ISP1761主控制器驅(qū)動(dòng)程序到內(nèi)核時(shí)，就會(huì)進(jìn)一步執(zhí)行平臺(tái)驅(qū)動(dòng)程序的注冊(cè)，否則將不能注冊(cè)驅(qū)動(dòng)程序。一旦注冊(cè)成功，驅(qū)動(dòng)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。下面給出該系統(tǒng)注冊(cè)的platform_driver結(jié)構(gòu)：

其中，在設(shè)備探測(cè)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(dòng)的基本信息和中斷處理例程指針。

(2)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(dòng)到內(nèi)核時(shí)被調(diào)用，主要負(fù)責(zé)與連接的USB設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，并管理根集中器端口。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(qǐng)求轉(zhuǎn)換成EHCI可識(shí)別的傳輸描述結(jié)構(gòu)。然后安排到EHCI的periodic schedule list或者asynchronous schedule list的合適位置。當(dāng)HC完成urb對(duì)應(yīng)的傳輸后，EHCI HCD通過urb→cornplete()通知USB core對(duì)應(yīng)的傳輸結(jié)果，最終完成通信過程。該函數(shù)的原型如下：

3 USB驅(qū)動(dòng)的調(diào)試使用

USB驅(qū)動(dòng)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(dòng)的支持等。ISP1761的驅(qū)動(dòng)采用模塊方式編譯，系統(tǒng)啟動(dòng)后，逐層插入驅(qū)動(dòng)模塊加載USB主控制器驅(qū)動(dòng)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(cè)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(duì)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。

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(dòng)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(dòng)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。同時(shí)驅(qū)動(dòng)的模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)保持了其最大可移植性，對(duì)于嵌入式下USB主控制器的驅(qū)動(dòng)開發(fā)具有很好的借鑒意義。