基于μCLinux的USB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F(xiàn)T245BL。主要介紹USB芯片F(xiàn)T245BL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)寫數(shù)據(jù)，直到發(fā)送數(shù)據(jù)全部寫入;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

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。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)。[!--empirenews.page--]

2.4 編寫相應(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)：

讀取函數(shù)ft245bl_read通過(guò)判斷USB芯片RXF管腳的狀態(tài)來(lái)處理接收到的數(shù)據(jù)，如果RXF為0，表示接收緩沖區(qū)(RX FIFO)中至少有1個(gè)數(shù)據(jù)，處理器讀取一個(gè)數(shù)據(jù)后重新回到判斷;如果RXF為1，表示芯片沒(méi)有接收到數(shù)據(jù)，這時(shí)程序啟動(dòng)中斷等待事件函數(shù) wait_event_interruptible，內(nèi)核從USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)中釋放出來(lái)，運(yùn)行其他程序，直到有新的數(shù)據(jù)到來(lái)時(shí)，內(nèi)核首先執(zhí)行中斷處理函數(shù) ft245bl_rx_handler，將中斷標(biāo)志位irqflag置1，喚醒等待隊(duì)列ft245bl_waitqueue，然后再回到讀取函數(shù)中繼續(xù)運(yùn)行。

2.5 中斷處理

設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序通過(guò)調(diào)用中斷申請(qǐng)函數(shù)申請(qǐng)中斷，其格式為：

函數(shù)調(diào)用成功返回0值，返回-INVAL表示中斷號(hào)超出范圍或者h(yuǎn)andler=NULL;返回-BUSY表示中斷已經(jīng)被占用且不能共享。其中，handler是中斷處理子程序指針，中斷產(chǎn)生時(shí)自動(dòng)調(diào)用該函數(shù);參數(shù)irq為中斷號(hào);pt_regs為中斷發(fā)生之前寄存器的映像，很少使用;irqflags控制中斷行為。irqflags=SA_INTER-RUPT表示它在運(yùn)行時(shí)將禁止所有的中斷;irqflags=SA_SHIRQ 表示共享此中斷處理程序;devname為設(shè)備名稱;dev_id用于支持中斷的共享，它將作為第2個(gè)參數(shù)傳遞給中斷處理函數(shù)，可以利用它來(lái)傳遞一些必要的信息。該中斷處理程序如下：

3 實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)程序的加載

驅(qū)動(dòng)程序可以按照兩種方式編譯：一種是靜態(tài)編譯進(jìn)內(nèi)核;另一種是編譯成模塊以供動(dòng)態(tài)加載。該設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序采用靜態(tài)編譯進(jìn)μCLinux內(nèi)核。下面以在嵌入式μClinux系統(tǒng)中需新增一個(gè)USB字符型設(shè)備FT245BL為例，介紹設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的添加的一系列步驟。

3.1 配置相關(guān)信息

首先，將編寫好的驅(qū)動(dòng)程序復(fù)制到μClinux系統(tǒng)的文件目錄中。新建ft245bl目錄統(tǒng)一管理USB設(shè)備的驅(qū)動(dòng)文件包括C文件、頭文件、編譯文件、配置文件，存放于目錄μClinux-dist/linux-2.6.x/drivers/char/下，在ft245bl下新建Makefile，并在下面兩個(gè)編譯文件中添加編譯指令：

在ft245bl下新建配置文件Kconfig，添加驅(qū)動(dòng)名FT245BL_DRIVER、菜單選項(xiàng)名稱USB ft245bl Driv-er、菜單有效選項(xiàng)DRIVER_FT245BL及驅(qū)動(dòng)說(shuō)明，代碼如下：

第1項(xiàng)是μClinux系統(tǒng)為設(shè)備驅(qū)動(dòng)創(chuàng)建的驅(qū)動(dòng)文件名及所在目錄;第2項(xiàng)是設(shè)備類型;第3項(xiàng)是設(shè)備驅(qū)動(dòng)文件的權(quán)限;第4，5項(xiàng)分別為用戶ID和組ID;第6，7項(xiàng)為主設(shè)備號(hào)和次設(shè)備號(hào);第8，9，10項(xiàng)分別為次設(shè)備號(hào)的起始號(hào)碼、增量和數(shù)量。

3.2 編譯驅(qū)動(dòng)程序

在/home/μClinux/μClinux-dist目錄下運(yùn)行make menueonfig進(jìn)行配置，在字符設(shè)備選項(xiàng)中可以看見(jiàn)剛剛添加的FT245BL Driver選項(xiàng)，選中它。通過(guò)make的一系列編譯，所有內(nèi)核和應(yīng)用程序源代碼將被編譯，編譯結(jié)束后將產(chǎn)生二進(jìn)制文件uImage。

3.3 加載驅(qū)動(dòng)程序

這里的BF533主板中數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器SDRAM大小為32 MB，地址為0～Ox02000000;異步存儲(chǔ)區(qū)BootFLASH大小為4 MB，地址為0x20000000～0x203FFFFF。在/home/μClinux/μClinux-dist運(yùn)行指令下，把uImage文件拷貝到/svr/tftp目錄，tftp是一個(gè)簡(jiǎn)單的ftp下載：

cp images/uImage/svr/tftp

打開(kāi)超級(jí)終端μClinux，接通目標(biāo)板電源或按復(fù)位鍵，目標(biāo)板上的u-boot自動(dòng)啟動(dòng)，通過(guò)超級(jí)終端的串口輸入命令：

到此，在μClinux中添加設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的工作已經(jīng)完成。

4 結(jié) 語(yǔ)

介紹了基于Blackfin ADSP-BF533開(kāi)發(fā)板，在μClinux環(huán)境下USB芯片F(xiàn)T245BL驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)與加載。簡(jiǎn)述了設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)的過(guò)程，并給出了讀函數(shù)和中斷函數(shù)的實(shí)例，說(shuō)明了在μiClinux下如何添加FT245BL驅(qū)動(dòng)程序的方法，實(shí)現(xiàn)了DSP主板的USB端口通信。