基于S3C4510B的USB主控器驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

1 引言

在現(xiàn)代社會(huì)，嵌入式系統(tǒng)逐漸深入到人們生活的方方面面，各類嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品之間往往通過某種接口進(jìn)行交互或數(shù)據(jù)傳遞。而現(xiàn)在，usb已經(jīng)成為嵌入式數(shù)據(jù)交換的最主要的方式，可是各種usb接口的設(shè)備都是基于pc機(jī)系統(tǒng)的，所以，基于嵌入式系統(tǒng)的usb接口的研究具有實(shí)用的價(jià)值和意義，特別是起master作用的host端接口的研究。

解決這一問題的根本辦法就是在需要使用usb設(shè)備的嵌入式系統(tǒng)中擴(kuò)展usb host功能模塊，使之具有與usb設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芰Α?br>
usb協(xié)議按功能分為2部分，usb host（usb主協(xié)議）和usb slave（usb從協(xié)議）分別應(yīng)用于usb host controller（usb主控制器）和usb device（usb設(shè)備）。一般，usb host要比usb slave復(fù)雜，對(duì)于廣大的非pc用戶來說，尤其是嵌入式系統(tǒng)用戶來說，由于usb協(xié)議的不對(duì)稱性，使得實(shí)現(xiàn)usb host比usb slave要困難地多，philips公司的isp1161a1芯片很好地解決了這種問題，他封裝了復(fù)雜的usb協(xié)議，使得在嵌入式系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)usb host和usb slave變得簡(jiǎn)單方便。

2 usb host技術(shù)簡(jiǎn)介

usb的通信可以用圖1表示，圖1中，左半部分為usb主機(jī)端，可以看出，usb主機(jī)端由2部分構(gòu)成，即軟件體和硬件體，實(shí)際上是3個(gè)軟件組件組成了usb host解決方案，即usb客戶驅(qū)動(dòng)程序，usb驅(qū)動(dòng)程序和usb主機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)程序，應(yīng)用程序的事務(wù)處理是由usb客戶驅(qū)動(dòng)程序（設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序）啟動(dòng)的，客戶驅(qū)動(dòng)程序把usb設(shè)備當(dāng)做一個(gè)可以被訪問的端點(diǎn)集合，他可以被控制并與他的功能單元進(jìn)行通信，usb系統(tǒng)軟件包括usb驅(qū)動(dòng)程序和usb主控制器驅(qū)動(dòng)程序，usb驅(qū)動(dòng)程序負(fù)責(zé)配置管理、用戶管理、總線管理和數(shù)據(jù)傳輸，usb主控制器驅(qū)動(dòng)程序負(fù)責(zé)調(diào)度管理，隊(duì)列管理和控制器管理，以及數(shù)據(jù)的位編碼、封包、循環(huán)校驗(yàn)、發(fā)送、錯(cuò)誤處理等。

如圖2所示，usb host的軟件結(jié)構(gòu)分為3大部分，即usb總線驅(qū)動(dòng)（usbd），usb host控制器驅(qū)動(dòng)（hcd）、客戶軟件、其中客戶軟件處理和設(shè)備有關(guān)的信息，usbd處理和硬件無關(guān)的協(xié)議，而hcd則處理與硬件相關(guān)的協(xié)議，usbd和hcd都包含了一系列管理各種狀態(tài)的寄存器。

3 sp1161體系結(jié)構(gòu)

要實(shí)現(xiàn)usb協(xié)議，必須要通過一系列寄存器來完成，這些寄存器要能實(shí)現(xiàn)usb軟件結(jié)構(gòu)中的usbd和hcd，即要完成usb協(xié)議狀態(tài)的控制，還要有一定的緩沖區(qū)來存放進(jìn)出的數(shù)據(jù)，isp1161專門針對(duì)usb協(xié)議設(shè)計(jì)的特殊硬件結(jié)構(gòu)可方便地實(shí)現(xiàn)usb host和usb slave。isp1161的硬件結(jié)構(gòu)主要是3類不同的寄存器，用戶通過操作這3種寄存器來達(dá)到實(shí)現(xiàn)usb傳輸?shù)哪康?，這3類寄存器是：

（1）hc control and status registers：usb主控制器控制和狀態(tài)寄存器，主要用于傳輸過程中控制命令的存放和狀態(tài)的讀取，可讀可寫的寄存器有2個(gè)地址，只讀或只寫的寄存器只有1個(gè)地址。

（2）isochronous transfer list （itl）：同步傳輸列表緩沖區(qū)。

（3）acknowledged transfer list（atl）：接收傳輸列表緩沖區(qū)。

根據(jù)usb協(xié)議，數(shù)據(jù)傳輸分為4種模式，control（控制），bulk（整批），interrupt（中斷）和isochronous（同步）。其中itl是為了實(shí)現(xiàn)同步傳輸，atl則實(shí)現(xiàn)其他3種模式的傳輸。

4 isp1161x主控制器編程實(shí)現(xiàn)

設(shè)計(jì)isp1161x主控制驅(qū)動(dòng)程序主要涉及以下2個(gè)重要內(nèi)容，下面詳細(xì)介紹：

4.1 讀/寫atl和itl緩沖區(qū)

atl和itl緩沖區(qū)的位于isp1161x內(nèi)部的fifo緩沖ram之中，每個(gè)緩沖區(qū)包含許多ptd（philips transfer descriptor），而ptd用于主控制器硬件發(fā)送或接收usb包從usb設(shè)備，作為調(diào)度usb傳輸?shù)囊徊糠郑琱cd在系統(tǒng)內(nèi)存中購(gòu)建ptd。然后hcd將購(gòu)建好的ptd移入atl或者itl緩沖區(qū)，主控制器硬件允許軟件去訪問每一個(gè)緩沖區(qū)，就像他們是分離的硬件緩沖區(qū)，hcd訪問atl緩沖區(qū)通過硬件寄存器hctransfercounter（22h/a2h）和hcatlbufferport（41h/c1h），而itl緩沖區(qū)則由hctransfercounter和hcitlbufferport（40h/c0h）訪問。下面一段示例代碼取自于本項(xiàng)目，其功能是向atl緩沖區(qū)寫數(shù)據(jù)，hci→hp→atl_len表示，atl則在內(nèi)存中還沒有發(fā)送的數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度，hci→hp→tl表示緩沖區(qū)的地址。

4.2硬件初始化過程

當(dāng)isp1161x上電時(shí)，主控驅(qū)動(dòng)程序（hcd）必須經(jīng)過下列的順序?qū)τ布M(jìn)行初始化，以便主控制器進(jìn)入可操作狀態(tài)。

檢測(cè)主控制器，軟件復(fù)位主控制器，配置hchardwareconfiguration寄存器，配置中斷；配置hccontrol寄存器，配置hcfminterval寄存器，配置根集線寄存器，設(shè)置itl和atl緩沖區(qū)長(zhǎng)度，安裝int1中斷服務(wù)程序。

4.2.1 檢測(cè)主控制器

檢測(cè)的工作由hcd完成的，hcd通過向寄存器hcscratch寫一個(gè)值，接著從該寄存器讀出，與剛才寫入的值進(jìn)行比較。如果寫入的和讀出的值相等，hcd得出結(jié)論：主控制器存在，對(duì)hcchipid寄存器的讀也被用來作為額外的條件來檢測(cè)該寄存器。

4.2.2 主控制器的軟件復(fù)位

軟件復(fù)位主控制器通常包括2個(gè)步驟：復(fù)位主控制器；設(shè)置主控制器為reset狀態(tài)。

hcd通過設(shè)置在hccommandstatus寄存器的hcr位來復(fù)位主控制器：

一旦主控制器復(fù)位了，hcd必須通過設(shè)置hccontrol寄存器的hcfs字段為00b，以便使主控制器為reset狀態(tài)。

4.2.3 配置hchardwareconfiguration寄存器

write_reg16（hci，interruptpinenable|interruptpin trigger interruptoutputpolarity |databuswidth16|analogocenable，hchardwareconfiguration）；

上述這段代碼表示將主控制器初始化為int1允許，中斷是邊沿觸發(fā)，中斷的輸出極性為高電平，數(shù)據(jù)線的寬度為16b，使用片上過流檢測(cè)，模擬輸入。

4.2.4 配置中斷

主控制器isp1161x有2組中斷源，第一組包含usb事件產(chǎn)生的中斷，比如start of frame，調(diào)度溢出和根集線器狀態(tài)改變，這些中斷的發(fā)生由hcinterruptenable和hcinterruptdisable寄存器聯(lián)合控制，而每個(gè)中斷的狀態(tài)由hcinterruptstatus寄存器標(biāo)識(shí)。
第二組是主控制器中狀態(tài)變化所引起的中斷，比如，主控制器延遲所產(chǎn)生的中斷，同樣，在第一組中斷中的任何組合是第二組中斷的中斷源。

4.2.5 配置hcfminterval寄存器

hcfminterval寄存器的14位值[frameinteral，fi]用于表示一幀之內(nèi)所占用的比特時(shí)間（在2個(gè)連續(xù)的sofs，15位的值[fslargestdatapacket，psmps）用于表示在沒有引發(fā)調(diào)度溢出下可發(fā)送或接收全速最大包大小，fi，psmps的推薦值為0x2edf和0x2778，所以將調(diào)用下列語句對(duì)該寄存器進(jìn)行初始化：

write_reg32（hci，0x2edf|（0x2778<<16），hcfminterval）；

4.2.6 配置root hub（根集線器）寄存器

隨著初始化的深入，下面的專門針對(duì)根集線器3個(gè)寄存器也必須初始化：hcrhdescriptora，hcrhdescriptorb和hcrhstatus，前2個(gè)寄存器是根據(jù)電路板的制作自動(dòng)由isp1161x配置的，這2個(gè)寄存器均用來描述根集線器的特性。

hcrhstatus被劃分為2個(gè)部分，低字部分表示集線器狀態(tài)，而高字部分表示集線器狀態(tài)的改變，還有保留部分必須被初始化為邏輯0。

4.2.7 設(shè)置itl和atl緩沖區(qū)的長(zhǎng)度

主控制器isp1161x內(nèi)部的fifo緩沖區(qū)有4kb/s，而這4k將被atl和itl劃分為2部分，分由hcatlbufferlength和hcitlbufferlength寄存器表示，itl緩沖區(qū)又進(jìn)一步被分為2個(gè)相同的ito0和itd01緩沖區(qū)，atl緩沖區(qū)必須存在，因?yàn)閍tl緩沖區(qū)用于控制，中斷和大批量傳輸，而itl的存在與否是可選的。

4.2.8 設(shè)置int1中斷的服務(wù)程序

如果在主控制器中發(fā)生一個(gè)或多個(gè)中斷，isp1161x的int1引腳將會(huì)通知微處理器，在本項(xiàng)目中，int1的引腳直接接在arm的int0引腳上，驅(qū)動(dòng)程序通過linux提供的函數(shù)request_irq向操作系統(tǒng)申請(qǐng)中斷號(hào)，并在此函數(shù)中向操作系統(tǒng)提供中斷處理函數(shù)。

request_irq（irq，hc_interrupt，0，"isp116x"，hci）

irq為中斷號(hào)；hc_interrupt為中斷處理函數(shù)，0為中斷標(biāo)記，"isp116x"表示中斷設(shè)備名稱；hci在此表示中斷設(shè)備號(hào)。

5 在μclinux中編譯usb主控驅(qū)動(dòng)

接下來就如何將驅(qū)動(dòng)文件編譯到嵌入式操作系統(tǒng)做一個(gè)簡(jiǎn)要說明。

（1）將上述文件拷貝到drivers/usb/

（2）編輯drivers/usb/makefile文件，添加以下內(nèi)容：

obj-$（config_usb_isp1161）+=hc_isp1161.o

（3）編輯driver/usb/config.in文件，添加如下內(nèi)容：

dep_tristatisp1161（philips）supportconfig_usb_isp1161 $ config_usb

（4）編譯μclinux內(nèi)核

編譯成功后把生成的映象文件用jtag燒寫器燒寫到開發(fā)板的rom中，啟動(dòng)后進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)現(xiàn)了對(duì)isp1161a1的控制。

6 結(jié)語

isp1161a1使得在嵌入式系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)usb host變得十分簡(jiǎn)單方便，便于嵌入式系統(tǒng)中usb的普及。

一個(gè)usb host要完成的功能因?yàn)樾枨蟛煌?，所使用的協(xié)議也不盡相同，有的采用中斷傳輸，有的采用同步傳輸，usb主機(jī)技術(shù)在嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用主要是針對(duì)某一種usb設(shè)備或集中設(shè)備，因而嵌入式系統(tǒng)上可以只固化某幾種協(xié)議，該技術(shù)的應(yīng)用可以使得在嵌入式系統(tǒng)上輕松接入usb外設(shè)、擴(kuò)展系統(tǒng)的功能、提高儀器的使用靈活性。usb主機(jī)技術(shù)在嵌入式系統(tǒng)上的應(yīng)用會(huì)有更廣泛更美好的前景。