基于mClinux的嵌入式USB接口設(shè)計
引言
越來越多的嵌入式設(shè)備與外部連接要求更簡潔、方便、智能化，所以，USB接口在嵌入式設(shè)備中的應(yīng)用會越來越廣泛。本文是“信息家電網(wǎng)絡(luò)控制平臺技術(shù)”項(xiàng)目中USB接口的實(shí)際設(shè)計部分。在該項(xiàng)目中，硬件平臺采用了S3C4510B微處理器，軟件系統(tǒng)是在mClinux下開發(fā)的，項(xiàng)目結(jié)題后，組建了USB總線的家居網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了信息家電的上網(wǎng)。本文介紹了該嵌入式系統(tǒng)設(shè)計中的USB模塊軟硬件設(shè)計。
USB接口硬件設(shè)計
S3C4510B沒有內(nèi)置的USB控制器，但提供了兩個GDMA通道，可以滿足USB高速數(shù)據(jù)傳遞的要求。本著與S3C4510B能銜接工作、自身適合在嵌入式設(shè)備中應(yīng)用的原則，確定采用ISP1581高速USB接口芯片。
ISP1581概述和設(shè)計分析
ISP1581是一款低功耗、功能強(qiáng)的高速USB接口器件，它完全符合USB 2.0 規(guī)范，并為基于微控制器或微處理器的系統(tǒng)提供了高速USB通信能力。ISP1581支持高速USB系統(tǒng)的自動檢測，內(nèi)部通用DMA 模塊使得數(shù)據(jù)流很方便地集成。另外，多種結(jié)構(gòu)的DMA模塊實(shí)現(xiàn)了海量存儲的應(yīng)用。這種實(shí)現(xiàn)USB 接口的標(biāo)準(zhǔn)組件使得使用者可以結(jié)合微控制器，通過使用已有的結(jié)構(gòu)和減少固件上的投資，從而用最快捷的方法實(shí)現(xiàn)了最經(jīng)濟(jì)的USB外設(shè)解決方案。此外，ISP1581可理想地用于許多嵌入式外設(shè)，例如打印機(jī)、掃描儀、DVD 和數(shù)碼相機(jī)等等。
ISP1581與S3C4510B電路的設(shè)計實(shí)現(xiàn)
了解了芯片引腳的使用方法，則可以設(shè)計出它和S3C4510B的連接電路，如圖1所示。
USB接口電路如圖2所示。在該圖中，1.5kW的電阻要求較高，阻值范圍必須是1.5kW±5%內(nèi)。
采用12MHz的晶振，以便與S3C4510B的晶振相匹配，電容的值一般為20pF左右，以使晶振更好地起振和消噪。
此外，設(shè)計印制電路板時要考慮減小信號之間的交叉干擾、電源干擾，降低噪聲對電路的影響，提高整個系統(tǒng)的可靠性。在本系統(tǒng)的電路板上，晶體振蕩電路對噪聲比較敏感，因此在設(shè)計這部分電路時特別注意使晶振電阻、電容等相關(guān)器件與微控制器盡可能靠近。在布線時，使這部分電路的信號線不與其他任何信號線交叉。此外還采用了一些常規(guī)的降低噪聲和干擾影響的手段，包括盡可能增加地線和電源線的寬度，使用去耦電容，以及盡量減小元器件引腳長度等等。
USB接口軟件設(shè)計
USB系統(tǒng)有三個基本組件：主控制器驅(qū)動程序HCD、USB驅(qū)動程序USBD和主機(jī)軟件。在嵌入式操作系統(tǒng)中，USB驅(qū)動程序和操作系統(tǒng)內(nèi)核的框圖如圖3所示，其中USB類驅(qū)動程序可以分別驅(qū)動兩種類型的控制器UHCI和OHCI。當(dāng)PCI枚舉器發(fā)現(xiàn)USB主機(jī)控制器后，就會裝入相關(guān)的驅(qū)動程序。在此基礎(chǔ)上開發(fā)驅(qū)動程序，實(shí)際上就是USB功能驅(qū)動程序，即是控制一個給定的功能設(shè)備。本項(xiàng)目中的信息家電組網(wǎng)，是用USB總線組建的家居網(wǎng)絡(luò)，連接到USB設(shè)備的每一種類型的功能單元都必須要有功能驅(qū)動程序。
ISP1581為微控制器接口提供了靈活的配置，在設(shè)計中采用了直接存儲器存取(DMA)方式。由于USB設(shè)備通過快速DMA方式來讀寫數(shù)據(jù)，因此在此作為字符設(shè)備進(jìn)行處理。
在mClinux系統(tǒng)內(nèi)核中有USB子系統(tǒng)，它的作用是提供支持USB設(shè)備驅(qū)動程序的API和USB的主機(jī)驅(qū)動程序。它提供了許多數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、宏定義和功能函數(shù)來對硬件或設(shè)備進(jìn)行支持。在mClinux下編寫USB設(shè)備的驅(qū)動程序，從嚴(yán)格意義上講，就是使用這些USB核心的子系統(tǒng)定義的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、宏和函數(shù)來編寫數(shù)據(jù)的處理功能。
一般來說，在mClinux環(huán)境中編寫USB分為如下幾個部分。
向系統(tǒng)注冊和注銷驅(qū)動子程序
在mClinux系統(tǒng)里，通過調(diào)用register_chrdev向系統(tǒng)注冊字符型設(shè)備驅(qū)動程序。還需定義一個__init usbdriver_init(void)的注冊函數(shù)，如下：
int __init usbdriver_init(void)
{ int rc;
rc = register_chrdev(usbdevice _Major, "usbdevice", &usbdriver_fops);
if (rc < 0) {
printk(KERN_WARNING "usbdevice: can't get Major %dn",usbdevice_Major);
return rc; }
return 0; }
中斷服務(wù)子程序
中斷服務(wù)子程序完成對數(shù)據(jù)的處理，主要包括讀、寫等操作，這些操作都是通過數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)file_operations中的open、write、close、read等命令進(jìn)行的。系統(tǒng)通過調(diào)用request_irq函數(shù)來申請中斷，通過free_irq來釋放中斷。為防止其他中斷的干擾，用save_flags(flags) cli()來關(guān)閉中斷，相關(guān)處理完畢，用restore_flags(flags) sti()來恢復(fù)。其中，填充驅(qū)動程序子函數(shù)集struct file_operation結(jié)構(gòu)如下：
struct file_operations { loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int);
ssize_t (*read) (struct file *, char *, size_t, loff_t *);
ssize_t (*write) (struct file *, const char *, size_t, loff_t *);
int (*readdir) (struct file *, void *, filldir_t);
unsigned int (*poll) (struct file *, struct poll_table_struct *);
int (*open) (struct inode *, struct file *);
int (*release) (struct inode *, struct file *);
int (*fsync) (struct file *, struct dentry *);}
I/O服務(wù)子程序
通過已注冊在系統(tǒng)/dev目錄下的設(shè)備文件，把設(shè)備映射為一個特別文件，其它程序使用這個設(shè)備的時候，只要對此特別文件進(jìn)行I/O操作就可以了。當(dāng)用戶調(diào)用時，因?yàn)檫M(jìn)程的運(yùn)行狀態(tài)由用戶態(tài)變?yōu)楹诵膽B(tài)，地址空間也變?yōu)楹诵牡刂房臻g。此時，read、write中參數(shù)buf指向用戶程序的私有地址空間，所以不能直接訪問，必須通過memcpy_fromfs、memcpy_tofs系統(tǒng)函數(shù)來訪問用戶程序的私有地址空間。
結(jié)語
鑒于USB的諸多優(yōu)點(diǎn)和靈活的數(shù)據(jù)傳輸方式，嵌入式USB設(shè)備必將在信息家電、工控等領(lǐng)域得到更廣闊的應(yīng)用。本文從硬件接口設(shè)計和驅(qū)動程序編寫兩個方面對嵌入式設(shè)備中USB的設(shè)計做了簡要的介紹，研究成果已經(jīng)用在基于USB總線的智能家居網(wǎng)絡(luò)中，測試結(jié)果表明該接口運(yùn)行正常，數(shù)據(jù)傳輸?shù)雀鞣矫婢_(dá)到了技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求。
參考文獻(xiàn)
1 蕭世文. USB2.0硬件設(shè)計. 清華大學(xué)出版社，2002.10
2 廣州周立功單片機(jī)發(fā)展有限公司. ISP1581
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