基于μCLinux的USB芯片F(xiàn)T245BL驅(qū)動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)

0 引 言
μClinux是針對(duì)嵌入式控制領(lǐng)域的操作系統(tǒng)，它繼承了Linux內(nèi)核的絕大部分特性，專為沒(méi)有內(nèi)存管理單元MMU的嵌入式微處理器而設(shè)計(jì)。它內(nèi)核小，效率高，源代碼開(kāi)放，包含了完整的TCP／IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。ADSP-BF533是ADI公司Blackfin系列的高速數(shù)字信號(hào)處理器芯片。Blackfin系列是ADI與Intel聯(lián)合開(kāi)發(fā)的體現(xiàn)高性能體系結(jié)構(gòu)的首款第四代DSP產(chǎn)品，16位定點(diǎn)DSP內(nèi)核，新型指令結(jié)構(gòu)，支持C／C++編程，主頻達(dá)600 MHz，內(nèi)核電壓1．2 V，具有動(dòng)態(tài)電源管理能力，功耗低，擴(kuò)展能力強(qiáng)，被廣泛應(yīng)用于各種信號(hào)處理。
這里使用基于Blackfin ADSP-BF533微處理器的μClinux開(kāi)發(fā)板，在對(duì)外通信時(shí)需用到USB接口。結(jié)合實(shí)際情況，選擇FTDI公司推出的USB芯片FT245BL。主要介紹USB芯片FT245BL的工作原理和電路設(shè)計(jì)，以及如何在μClinux操作系統(tǒng)下編寫(xiě)和添加其驅(qū)動(dòng)程序的方法。

1 FT245BL工作原理與電路設(shè)計(jì)
傳統(tǒng)USB芯片要求設(shè)計(jì)人員對(duì)USB的標(biāo)準(zhǔn)、Firmware編程及驅(qū)動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)等有較深入的理解，工作量大，開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)，需要經(jīng)驗(yàn)豐富的設(shè)計(jì)者才能完成；而FTDI(Future Technology Devices Intl.Ltd．)公司推出的USB芯片F(xiàn)T245BL集成了微控制器，并且把實(shí)現(xiàn)USB通信協(xié)議的固件程序直接固化在芯片中，同時(shí)提供了PC端的沒(méi)備驅(qū)動(dòng)程序，用戶只需進(jìn)行必要的硬件設(shè)計(jì)和簡(jiǎn)單的軟件編程，所以大大降低了開(kāi)發(fā)難度。
1．1 功能結(jié)構(gòu)
FT245BL是FTDI公司的一款并行FIFO雙向數(shù)據(jù)傳輸?shù)腢SB芯片，對(duì)于微處理器它提供8位并行數(shù)據(jù)總線D0～D7，對(duì)于外部主機(jī)是標(biāo)準(zhǔn)串行總線或虛擬接口，其數(shù)據(jù)傳輸速率最高可達(dá)1 MB／s，提供USBl．1／2．O規(guī)范的全速物理接口，支持UHCI／OHCI／EHCI主控制器。
FT245BL芯片的內(nèi)部系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架圖如圖1所示，芯片主要由3．3 V穩(wěn)壓器、USB收發(fā)器、串行接口引擎(SIE)、USB協(xié)議引擎和先進(jìn)先出(FIFO)控制器、6 MHz振蕩器、8×倍頻器、USB鎖相環(huán)、復(fù)位器、E。PROM接口等構(gòu)成。其內(nèi)部設(shè)置了2個(gè)FIFO數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，一個(gè)是128 B的接收緩沖區(qū)；一個(gè)是384 B的發(fā)送緩沖區(qū)。串行接口引擎用來(lái)完成USB數(shù)據(jù)的串／并雙向轉(zhuǎn)換；USB協(xié)議引擎用于管理來(lái)自USB設(shè)備控制端口的數(shù)據(jù)流，實(shí)現(xiàn)USB主機(jī)控制器需要的USB底層協(xié)議。
1．2 工作原理
DSP與FT245BL接口框圖如圖2所示。主板CPLD用AMS[0：3]和高5位地址線(A19～A15)進(jìn)行譯碼；FT245BL的TXE和RXF信號(hào)在查詢地址有效時(shí)，通過(guò)DSP讀取其狀態(tài)，判斷是否發(fā)送數(shù)據(jù)或接收數(shù)據(jù)；TXE用于判斷發(fā)送FIFO是否滿，0為不滿，1為滿，當(dāng)TXE為0時(shí)，外部DSP向發(fā)送FIFO緩沖區(qū)寫(xiě)數(shù)據(jù)，直到發(fā)送數(shù)據(jù)全部寫(xiě)入；RXF用于判斷接收FIFO是否有數(shù)據(jù)，只要數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)≥1，RXF就為低，通知DSP可以讀取數(shù)據(jù)。FT245BL的RD和WR信號(hào)在讀寫(xiě)地址有效時(shí)，分別與DSP的ARE和AWE相連，DSP可以讀取接收數(shù)據(jù)和寫(xiě)入發(fā)送數(shù)據(jù)。

1．3 電路設(shè)計(jì)
FT245BL芯片使用主板上的3．3 V和5 V電源供電，主板對(duì)外作為一個(gè)USB設(shè)備。USB總線的電源線連接在芯片的復(fù)位引腳RESET上，這樣保證了USB芯片平時(shí)處于復(fù)位狀態(tài)。

當(dāng)USB總線連接到主機(jī)時(shí)，電源線變高，RESET變高，最終導(dǎo)致RSTOUT變高，由于USBDP引腳配置了一個(gè)1．5 kΩ的上拉電阻連到RSTOUT引腳，使得芯片以全速狀態(tài)連接到主機(jī)。FIFO控制器接口包括8位數(shù)據(jù)線D7～D0、讀RD、寫(xiě)WR、發(fā)送使能TXE、接收完畢RXF的5個(gè)信號(hào)。由于FT245BL芯片沒(méi)有片選線，所以信號(hào)都是經(jīng)過(guò)主板CPLD內(nèi)部的譯碼電路處理后才連接的。DSP采用中斷機(jī)制讀取FIFO的數(shù)據(jù)，所以將RXF連接DSP的可編程端口(PF3)，用以產(chǎn)生中斷。

2 FT245BL驅(qū)動(dòng)程序的編寫(xiě)
這里以ADI公司的ADSP-BF533為例，介紹USB接口芯片F(xiàn)T245BL在μClinux下驅(qū)動(dòng)程序的編寫(xiě)。依據(jù)FT245BL芯片的結(jié)構(gòu)和接口設(shè)計(jì)，決定將其作為字符設(shè)備來(lái)開(kāi)發(fā)它的驅(qū)動(dòng)程序。所用開(kāi)發(fā)平臺(tái)的硬件結(jié)構(gòu)如下：

2．1 確定設(shè)備的設(shè)備名稱和主設(shè)備號(hào)
主設(shè)備號(hào)是內(nèi)核識(shí)別不同類型設(shè)備的惟一標(biāo)識(shí)，內(nèi)核利用主設(shè)備號(hào)將設(shè)備與相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序?qū)?yīng)起來(lái)。開(kāi)發(fā)新的驅(qū)動(dòng)程序，必須找到一個(gè)還未被使用的主設(shè)備號(hào)，分配給自己的字符設(shè)備。主設(shè)備號(hào)的確定可以通過(guò)兩種方法：一是靜態(tài)定義；二是動(dòng)態(tài)分配。該驅(qū)動(dòng)采用的是靜態(tài)主設(shè)備號(hào)，在ft245b1．C文件中直接定義設(shè)置為254，#define ft245bl_major 254。
2．2 確定編寫(xiě)需要的file-operations數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的功能函數(shù)
該驅(qū)動(dòng)文件ft245b1．C中定義的file_operations數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：

2．3 設(shè)備的注冊(cè)與注銷
設(shè)備驅(qū)動(dòng)在調(diào)用前必須首先向系統(tǒng)注冊(cè)，這時(shí)就執(zhí)行加載函數(shù)static int_init ft245bl_init(void)。該函數(shù)的核心語(yǔ)句是register_chrdev(ft245bl_major，F(xiàn)T245BL_DEV，ft245bl_fops)字符注冊(cè)函數(shù)。其中，ft245bl_major是設(shè)備驅(qū)動(dòng)向系統(tǒng)申請(qǐng)的主設(shè)備號(hào)；FT245BL_DEV是USB設(shè)備的名稱；ft245bl_fops是之前定義為file_operations數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的各個(gè)功能函數(shù)的文件指針。該函數(shù)返回值為0，表示注冊(cè)成功；返回-INVAL，表示申請(qǐng)的主設(shè)備號(hào)非法；返回-EBUSY，表示該設(shè)備號(hào)正在使用。設(shè)備注冊(cè)成功后，設(shè)備名會(huì)出現(xiàn)在系統(tǒng)的／proc／devices文件中。
設(shè)備有注冊(cè)就有卸載，卸載字符設(shè)備需要調(diào)用函數(shù)unregister_chrdev(ft245bl_major，F(xiàn)T245BL_DEV)，參數(shù)有主設(shè)備號(hào)和設(shè)備名兩個(gè)，USB退出驅(qū)動(dòng)，用staticvoid_exit ft245bl_exit(void)函數(shù)。
2．4 編寫(xiě)相應(yīng)的功能函數(shù)
對(duì)于每一個(gè)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序來(lái)說(shuō)，都有一些與此設(shè)備密切相關(guān)的功能函數(shù)，通常對(duì)于塊設(shè)備或者字符設(shè)備來(lái)說(shuō)，都存在著諸如打開(kāi)、關(guān)閉、讀、寫(xiě)這一類的操作。當(dāng)進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)用時(shí)，將自動(dòng)地使用驅(qū)動(dòng)函數(shù)中特定的函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)具體的操作。打開(kāi)函數(shù)open()主要完成以下操作，即檢查設(shè)備錯(cuò)誤(諸如設(shè)備未就緒或相似的硬件問(wèn)題)，如果是首次打開(kāi)，則初始化設(shè)備；讀取次設(shè)備號(hào)；分配和填寫(xiě)要放在file→private-data內(nèi)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；增加使用計(jì)數(shù)。讀函數(shù)read()用來(lái)從外部設(shè)備中讀取數(shù)據(jù)，當(dāng)其為NULL指針時(shí)，將引起read()系統(tǒng)調(diào)用返回-EINVAL(“非法參數(shù)”)。函數(shù)返回一個(gè)非負(fù)值表示成功地讀取了多少字節(jié)。寫(xiě)函數(shù)write()向外部設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)，如果沒(méi)有這個(gè)函數(shù)，返回一個(gè)-EINVAL；如果返回值非負(fù)，就表示成功寫(xiě)入的字節(jié)數(shù)。當(dāng)設(shè)備被關(guān)閉時(shí)調(diào)用release()這個(gè)操作，有時(shí)也稱為close()。它應(yīng)該完成以下操作：使用計(jì)數(shù)減1;釋放open分配在file→rivate-data中的內(nèi)存；在最后一次關(guān)閉操作時(shí)關(guān)閉設(shè)備。下面是FT245BL驅(qū)動(dòng)程序讀函數(shù)read()的實(shí)現(xiàn)：