嵌入式系統(tǒng)中USB主機控制器的設計

過去USB僅應用于個人計算機，而在嵌入式系統(tǒng)領域的巨大潛力還沒有開發(fā)出來，USB在嵌入式系統(tǒng)中的應用包括KVM開關、數(shù)碼相機、PDA、打印機、機頂盒以及移動電話等。本文將介紹在嵌入式系統(tǒng)中應用USB時其主機控制器的設計。

嵌入式系統(tǒng)被定義為硬件和固件(獨立的或作為更大型系統(tǒng)的一部分)通常帶有某種操作系統(tǒng)，操作系統(tǒng)可以是Windows CE、VxWorks或其它由“自編代碼”構(gòu)成的更簡單系統(tǒng)。根據(jù)這樣的定義，可以認為任何帶有處理器的電子裝置均可以作為USB嵌入式主機。

嵌入式系統(tǒng)設計挑戰(zhàn)

在基于PC的系統(tǒng)中，USB操作一般需要三種部件，分別是通常作為PCI子系統(tǒng)的主機控制器、USB堆棧以及USB類驅(qū)動器。

主機控制器是集成主板芯片組的一部分，USB堆棧則包含主板芯片及通用主機控制器接口(UCHI)和開放主機控制器接口(OHCI)驅(qū)動程序以及USB驅(qū)動程序(usbd.sys)，在PC上實現(xiàn)USB需要上述領域的專門技術。

在嵌入式USB系統(tǒng)中，其主要組成部分與PC系統(tǒng)類似，如嵌入式主機控制器芯片、帶OHCI堆棧的實時操作系統(tǒng)(RTOS)以及專用驅(qū)動程序?，F(xiàn)有很多可供選擇的主機控制器芯片，有些帶有處理器，有些則是基于寄存器的，對器件的選擇將影響到其下面兩層。

很多公司都可提供RTOS，最好選擇一個能配合在一起工作的處理器和RTOS，然后在其上添加應用代碼。如果沒有真正的RTOS，某些控制器則用一個“框架”，可在其上構(gòu)造應用程序。我們后面將介紹這種框架以及如何在上面構(gòu)建應用。

在PC上實現(xiàn)USB具有非常豐富的可用資源，包括高達512MB的存儲器、20-60GB的硬盤以及2GHz或更快的微處理器。此外，多年來Windows、MAC OS以及Unix等操作系統(tǒng)也一直支持USB，而且世界上還有成千上萬的工程師在設計基于PC的USB應用程序和設備驅(qū)動程序。而對嵌入式系統(tǒng)來說，通常只有不超過64K的存儲器，以及運行于12MHz～33MHz的處理器，且沒有硬盤。由于USB對嵌入式系統(tǒng)相對較新，因此可能只有為數(shù)不多的工程師擁有這方面的經(jīng)驗。

控制器與框架

下面我們以賽普拉斯EZ-Host為例介紹嵌入式系統(tǒng)USB控制器與框架結(jié)構(gòu)。EZ-Host有兩個“串行接口引擎”，每個引擎包含兩個USB端口，因此無需使用額外硬件EZ-Host便可控制四個USB設備。

EZ-Host器件具有固件結(jié)構(gòu)，可管理大多數(shù)USB主機的詳細請求。該結(jié)構(gòu)另一個特點是支持網(wǎng)絡集線器。鍵盤/集線器組合在一起常常帶來這樣的問題，即它究竟是帶有集線器的鍵盤還是帶有鍵盤的集線器？答案應該是帶有鍵盤的集線器。因此要了解集線器后面的鍵盤，還需要提供集線器支持。幸好，這里的框架代碼包含了對集線器的支持。

EZ-Host框架包含所有實現(xiàn)USB主機功能所必需的固件，包括任務調(diào)度、設備枚舉、帶寬分配以及功率管理。另外應用程序作為固件的一部分，控制專用USB設備并將其數(shù)據(jù)傳遞給最終應用。

框架的核心是TD處理器。TD處理器的運行基于一種稱為“任務描述器(TD)”的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，使用其信息與USB硬件尤其是“串行接口引擎(SIE)”進行通信。需要注意的是每個SIE控制兩個端口，而且每個SIE具有一個TD處理器。EZ-Host框架使用了多種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)其操作，這些結(jié)構(gòu)包括TD和USB請求模塊(URB)。

任務描述器是傳遞給硬件的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，包含特定硬件接口(如SIE)和端口編號的數(shù)據(jù)字段、終點數(shù)、收發(fā)數(shù)據(jù)緩沖器長度、數(shù)據(jù)包ID編碼以及URB結(jié)構(gòu)指示器。

URB含有TD所需的邏輯信息，該邏輯信息包括USB設備緩沖器、安裝軟件包以及USB設備結(jié)構(gòu)指示器。

進行USB事務處理時，URB帶有事務處理分配及其裝入的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，而后URB提交給TD處理器，TD處理器再將URB加入TD列表。空閑時，TD處理器處理TD列表，安排傳輸時序，并將設定好的TD傳送給EZ-Host硬件進行處理。