基于μCLinux的USB芯片F(xiàn)T245BL驅(qū)動設計

　　0 引 言

　　μClinux是針對嵌入式控制領(lǐng)域的操作系統(tǒng)，它繼承了Linux內(nèi)核的絕大部分特性，專為沒有內(nèi)存管理單元MMU的嵌入式微處理器而設計。它內(nèi)核小，效率高，源代碼開放，包含了完整的TCP／IP網(wǎng)絡協(xié)議。ADSP-BF533是ADI公司Blackfin系列的高速數(shù)字信號處理器芯片。Blackfin系列是ADI與Intel聯(lián)合開發(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DSP內(nèi)核，新型指令結(jié)構(gòu)，支持C／C++編程，主頻達600 MHz，內(nèi)核電壓1．2 V，具有動態(tài)電源管理能力，功耗低，擴展能力強，被廣泛應用于各種信號處理。

　　這里使用基于Blackfin ADSP-BF533微處理器的μClinux開發(fā)板，在對外通信時需用到USB接口。結(jié)合實際情況，選擇FTDI公司推出的USB芯片FT245BL。主要介紹USB芯片FT245BL的工作原理和電路設計，以及如何在μClinux操作系統(tǒng)下編寫和添加其驅(qū)動程序的方法。

　　1 FT245BL工作原理與電路設計

　　傳統(tǒng)USB芯片要求設計人員對USB的標準、Firmware編程及驅(qū)動程序的開發(fā)等有較深入的理解，工作量大，開發(fā)周期長，需要經(jīng)驗豐富的設計者才能完成；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，并且把實現(xiàn)USB通信協(xié)議的固件程序直接固化在芯片中，同時提供了PC端的沒備驅(qū)動程序，用戶只需進行必要的硬件設計和簡單的軟件編程，所以大大降低了開發(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，對于微處理器它提供8位并行數(shù)據(jù)總線D0～D7，對于外部主機是標準串行總線或虛擬接口，其數(shù)據(jù)傳輸速率最高可達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)議引擎和先進先出(FIFO)控制器、6 MHz振蕩器、8×倍頻器、USB鎖相環(huán)、復位器、E。PROM接口等構(gòu)成。其內(nèi)部設置了2個FIFO數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，一個是128 B的接收緩沖區(qū)；一個是384 B的發(fā)送緩沖區(qū)。串行接口引擎用來完成USB數(shù)據(jù)的串／并雙向轉(zhuǎn)換；USB協(xié)議引擎用于管理來自USB設備控制端口的數(shù)據(jù)流，實現(xiàn)USB主機控制器需要的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)進行譯碼；FT245BL的TXE和RXF信號在查詢地址有效時，通過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TXE為0時，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信號在讀寫地址有效時，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 電路設計

　　FT245BL芯片使用主板上的3．3 V和5 V電源供電，主板對外作為一個USB設備。USB總線的電源線連接在芯片的復位引腳RESET上，這樣保證了USB芯片平時處于復位狀態(tài)。

　　當USB總線連接到主機時，電源線變高，RESET變高，最終導致RSTOUT變高，由于USBDP引腳配置了一個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。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個信號。由于FT245BL芯片沒有片選線，所以信號都是經(jīng)過主板CPLD內(nèi)部的譯碼電路處理后才連接的。DSP采用中斷機制讀取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)動程序的編寫。依據(jù)FT245BL芯片的結(jié)構(gòu)和接口設計，決定將其作為字符設備來開發(fā)它的驅(qū)動程序。所用開發(fā)平臺的硬件結(jié)構(gòu)如下：

　　2．1 確定設備的設備名稱和主設備號

　　主設備號是內(nèi)核識別不同類型設備的惟一標識，內(nèi)核利用主設備號將設備與相應的驅(qū)動程序?qū)饋?。開發(fā)新的驅(qū)動程序，必須找到一個還未被使用的主設備號，分配給自己的字符設備。主設備號的確定可以通過兩種方法：一是靜態(tài)定義；二是動態(tài)分配。該驅(qū)動采用的是靜態(tài)主設備號，在ft245b1．C文件中直接定義設置為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)動文件ft245b1．C中定義的file_operations數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：

　　2．3 設備的注冊與注銷

　　設備驅(qū)動在調(diào)用前必須首先向系統(tǒng)注冊，這時就執(zhí)行加載函數(shù)static int_init ft245bl_init(void)。該函數(shù)的核心語句是register_chrdev(ft245bl_major，F(xiàn)T245BL_DEV，ft245bl_fops)字符注冊函數(shù)。其中，ft245bl_major是設備驅(qū)動向系統(tǒng)申請的主設備號；FT245BL_DEV是USB設備的名稱；ft245bl_fops是之前定義為file_operations數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的各個功能函數(shù)的文件指針。該函數(shù)返回值為0，表示注冊成功；返回-INVAL，表示申請的主設備號非法；返回-EBUSY，表示該設備號正在使用。設備注冊成功后，設備名會出現(xiàn)在系統(tǒng)的／proc／devices文件中。

　　設備有注冊就有卸載，卸載字符設備需要調(diào)用函數(shù)unregister_chrdev(ft245bl_major，F(xiàn)T245BL_DEV)，參數(shù)有主設備號和設備名兩個，USB退出驅(qū)動，用staticvoid_exit ft245bl_exit(void)函數(shù)。

　　2．4 編寫相應的功能函數(shù)

　　對于每一個設備驅(qū)動程序來說，都有一些與此設備密切相關(guān)的功能函數(shù)，通常對于塊設備或者字符設備來說，都存在著諸如打開、關(guān)閉、讀、寫這一類的操作。當進行系統(tǒng)調(diào)用時，將自動地使用驅(qū)動函數(shù)中特定的函數(shù)來實現(xiàn)具體的操作。打開函數(shù)open()主要完成以下操作，即檢查設備錯誤(諸如設備未就緒或相似的硬件問題)，如果是首次打開，則初始化設備；讀取次設備號；分配和填寫要放在file→private-data內(nèi)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；增加使用計數(shù)。讀函數(shù)read()用來從外部設備中讀取數(shù)據(jù)，當其為NULL指針時，將引起read()系統(tǒng)調(diào)用返回-EINVAL(“非法參數(shù)”)。函數(shù)返回一個非負值表示成功地讀取了多少字節(jié)。寫函數(shù)write()向外部設備發(fā)送數(shù)據(jù)，如果沒有這個函數(shù)，返回一個-EINVAL；如果返回值非負，就表示成功寫入的字節(jié)數(shù)。當設備被關(guān)閉時調(diào)用release()這個操作，有時也稱為close()。它應該完成以下操作：使用計數(shù)減1;釋放open分配在file→rivate-data中的內(nèi)存；在最后一次關(guān)閉操作時關(guān)閉設備。下面是FT245BL驅(qū)動程序讀函數(shù)read()的實現(xiàn)：

　　讀取函數(shù)ft245bl_read通過判斷USB芯片RXF管腳的狀態(tài)來處理接收到的數(shù)據(jù)，如果RXF為0，表示接收緩沖區(qū)(RX FIFO)中至少有1個數(shù)據(jù)，處理器讀取一個數(shù)據(jù)后重新回到判斷；如果RXF為1，表示芯片沒有接收到數(shù)據(jù)，這時程序啟動中斷等待事件函數(shù)wait_event_interruptible，內(nèi)核從USB設備驅(qū)動中釋放出來，運行其他程序，直到有新的數(shù)據(jù)到來時，內(nèi)核首先執(zhí)行中斷處理函數(shù)ft245bl_rx_handler，將中斷標志位irqflag置1，喚醒等待隊列ft245bl_waitqueue，然后再回到讀取函數(shù)中繼續(xù)運行。

　　2．5 中斷處理

　　設備驅(qū)動程序通過調(diào)用中斷申請函數(shù)申請中斷，其格式為：

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