USB主機控制器的設計

摘要：討論在SoPC(System on a Programmable Chip)系統(tǒng)中設計USB主機接口設備的一般方法，著重闡述主機控制器的驅(qū)動程序開發(fā)。利用Xilinx公司的EDK軟件在ML405開發(fā)板上搭建一個基于PowerPC的片上系統(tǒng)，設計EZ-Host的USB主機控制器的Linux驅(qū)動程序，使系統(tǒng)具有USB主機功能，能夠和各種USB設備進行通信，實現(xiàn)SoPC系統(tǒng)上基于Linux的USB接口的擴展，對于開發(fā)其他USB主控制器驅(qū)動具有一定借鑒意義。
關(guān)鍵詞：USB；USB主機控制器；EZ-Host；Linux；SoPC

USB具有簡單、標準的連接方式、支持熱插拔等諸多優(yōu)點，因此已成為流行的接口技術(shù)。USB是典型的主／從結(jié)構(gòu)的總線標準，即只有USB主機才能與USB設備連接。USB總線與計算機系統(tǒng)的接口部分是主機控制器，它可以被看作一個硬件、固件和軟件的綜合體。主機控制器實現(xiàn)主機與設備之間的電氣和協(xié)議層匹配，主要包括：串并轉(zhuǎn)換、幀起始、數(shù)據(jù)處理、協(xié)議使用、傳輸錯誤處理、遠程喚醒、根Hub、主機系統(tǒng)接口等功能。USB設備之間通過USB Hub連接，主機控制器和USB設備之間一般通過根Hub相連。通常主機控制器提供與根Hub相關(guān)的狀態(tài)查詢和控制單元。當有設備插入時，在枚舉過程中，主機控制器驅(qū)動通過查詢和控制單元應答設備偽裝成一個Hub，所以通常稱此Hub為虛擬根Hub。
這里利用EDK軟件搭建一個基于PowerPC的片上系統(tǒng)，實現(xiàn)了SoPC系統(tǒng)上基于Linux的USB接口的擴展，使系統(tǒng)具有USB主機功能，能夠和各種USB設備進行通信。

1 開發(fā)環(huán)境
目前Linux 2．6內(nèi)核中的USB支持3種主控制器接口：通用主控制器接口(UHCI)、開放控制器接口(OHCI)及增強主機控制接口(EHCI)。在嵌入式系統(tǒng)中，如果處理器集成有USB主機控制器，則可直接引出USB主控端口；而未集成USB主機控制器的處理器則需使用USB主控器件，從總線上擴展USB主機接口。
這里所采用的開發(fā)環(huán)境是Xilinx公司的ML405開發(fā)板。開發(fā)板上核心FPGA采用Xilinx的XC4VFX20-FF672器件，其內(nèi)置1個PowerPC硬核，2個以太網(wǎng)MAC層控制器。開發(fā)板上還帶有64 MB的DDR SDRAM，10／100／1000以太網(wǎng)端口、帶主機／設備端的USB接口器件(CY7C67300)等。
EZ-Host(CY7C67300)是Cypress半導體公司的全速低耗多端口主機／外設控制器，該器件可方便接至高性能CPU上完成USB主機控制器端的功能；擁有16位RISC指令處理器，可作為協(xié)處理器使用或單獨使用；同時支持USB的OTG協(xié)議，擁有2個可獨立配置并各帶有2個端口的USB串行接口引擎(SIE)；既可用作主機，又可用作外設，并支持多達4個主機端口。另外，該器件擁有一個可編程I／O接口模塊，可供各種接口編程使用，可編程實現(xiàn)HPI、HSS、SPI等接口模式。當EZ-Host控制器作為USB主機控制器時，一般采用HPI主機端接口(Host Port Interface)接口模式。

2 硬件設計
Xilinx公司提供一個IP核opb_epc外設控制器(external peripheral controller)，為OPB總線與外部同步或異步外圍設備之間的數(shù)據(jù)傳送提供一個通用接口，可方便實現(xiàn)處理器對于外設的控制。一個opb_epe最多可接4個外設，且每個外設可獨立配置成同步或異步模式，其時序參數(shù)(如建立時間、保持時間、訪問時間周期等)都可由用戶設置。opb_epc通過OPB總線接收處理器的讀寫指令，在相應外設接口產(chǎn)生相應
的訪問周期，從而實現(xiàn)處理器對外圍設備的控制。這里使用opb_epc模塊作為控制器，實現(xiàn)PowerPC與EZ-Host的主機控制器的接口通信，嵌入式硬件系統(tǒng)架構(gòu)如圖l所示。