嵌入式系統(tǒng)中USB主機(jī)控制器的設(shè)計(jì)

過去USB僅應(yīng)用于個(gè)人計(jì)算機(jī)，而在嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)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(yīng)用包括KVM開關(guān)、數(shù)碼相機(jī)、PDA、打印機(jī)、機(jī)頂盒以及移動(dòng)電話等。本文將介紹在嵌入式系統(tǒng)中應(yīng)用USB時(shí)其主機(jī)控制器的設(shè)計(jì)。

嵌入式系統(tǒng)被定義為硬件和固件(獨(dú)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(rèn)為任何帶有處理器的電子裝置均可以作為USB嵌入式主機(jī)。

嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jī)控制器、USB堆棧以及USB類驅(qū)動(dòng)器。

主機(jī)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(jī)控制器接口(UCHI)和開放主機(jī)控制器接口(OHCI)驅(qū)動(dòng)程序以及USB驅(qū)動(dòng)程序(usbd.sys)，在PC上實(shí)現(xiàn)USB需要上述領(lǐng)域的專門技術(shù)。

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(jī)控制器芯片、帶OHCI堆棧的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS)以及專用驅(qū)動(dòng)程序。現(xiàn)有很多可供選擇的主機(jī)控制器芯片，有些帶有處理器，有些則是基于寄存器的，對(duì)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(gè)能配合在一起工作的處理器和RTOS，然后在其上添加應(yīng)用代碼。如果沒有真正的RTOS，某些控制器則用一個(gè)“框架”，可在其上構(gòu)造應(yīng)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(yīng)用。

在PC上實(shí)現(xiàn)USB具有非常豐富的可用資源，包括高達(dá)512MB的存儲(chǔ)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(shè)計(jì)基于PC的USB應(yīng)用程序和設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。而對(duì)嵌入式系統(tǒng)來說，通常只有不超過64K的存儲(chǔ)器，以及運(yùn)行于12MHz～33MHz的處理器，且沒有硬盤。由于USB對(duì)嵌入式系統(tǒng)相對(duì)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(yàn)。

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(gè)“串行接口引擎”，每個(gè)引擎包含兩個(gè)USB端口，因此無需使用額外硬件EZ-Host便可控制四個(gè)USB設(shè)備。

EZ-Host器件具有固件結(jié)構(gòu)，可管理大多數(shù)USB主機(jī)的詳細(xì)請(qǐng)求。該結(jié)構(gòu)另一個(gè)特點(diǎn)是支持網(wǎng)絡(luò)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(yīng)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(duì)集線器的支持。

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

框架的核心是TD處理器。TD處理器的運(yùn)行基于一種稱為“任務(wù)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(jìn)行通信。需要注意的是每個(gè)SIE控制兩個(gè)端口，而且每個(gè)SIE具有一個(gè)TD處理器。EZ-Host框架使用了多種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)其操作，這些結(jié)構(gòu)包括TD和USB請(qǐng)求模塊(URB)。

任務(wù)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(hào)的數(shù)據(jù)字段、終點(diǎn)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(shè)備緩沖器、安裝軟件包以及USB設(shè)備結(jié)構(gòu)指示器。

進(jìn)行USB事務(wù)處理時(shí)，URB帶有事務(wù)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?？臻e時(shí)，TD處理器處理TD列表，安排傳輸時(shí)序，并將設(shè)定好的TD傳送給EZ-Host硬件進(jìn)行處理。