嵌入式Linux下高速USB主控制器的設計與實現

在嵌入式系統的發展歷程中，Linux操作系統的源碼公開，結構清晰，功能強大，可移植性強等特點使其在嵌入式領域應用越來越廣泛。USB接口的熱插拔，即插即用，數據傳輸可靠，擴展方便，成本低等優點使其逐漸成為嵌入式系統的必備接口之一。隨著嵌入式系統應用領域的不斷擴展，人們對其性能的要求不斷提高，特別是USB設備的讀寫速度受到越來越多的關注。然而。目前多數嵌入式系統僅支持基礎的USB低速或全速外設，不能滿足人們對高速數據傳輸的要求。為此，基于AT91RM9200平臺完成了高速USB的硬件設計和Linux操作系統下主機端驅動程序的開發。

1 高速USB硬件接口設計

目前的嵌入式系統設計中，USB接口的外擴主要采用微處理器芯片自帶的USB控制器，一般只支持低速和全速協議，無法實現高速數據傳輸。該設計采用AT91RM9200處理器外擴ISP1761 USB控制器方案，解決了嵌入式系統下USB設備的傳輸速度問題。其USB硬件接口部分電路如圖1所示：

AT91RM9200是Atmel公司一款基于ARM920T內核的微型處理器。它有豐富的系統與應用外設及標準接口，時鐘頻率可達180 MHz，并且具有低功耗、低成本、高性能，在嵌入式系統中應用廣泛。ISP1761是Philips公司開發的一款高速USB On The Go(OTG)控制器，芯片內集成了64 KB的高速緩沖，單次處理數據達32 KB，極大地提升了系統的處理性能，并且功耗很低，其內部集成了Slave主機控制器和外設控制器。此外，ISP761還有可配置的32 b/16 b異步CPU接口，該設計ISP1761外部數據總線設置為16 b模式。

處理器AT91RM9200與外擴USB控制器的連接如圖1所示。其中，A[17∶1]為地址線;DATA[15∶0]為數據線;WR_N為讀使能;RD_N為寫使能;CS_N片選信號采用NCS2;AT9lRM9200的中斷源1分配給ISP1761作為其中斷信號。處理器和ISP1761之間的數據傳輸通過中斷方式實現，當USB接口有中斷產生時，處理器的中斷服務程序通過讀取ISP1761的中斷寄存器判斷中斷來源，從而執行相應的讀/寫操作。

2 高速USB軟件驅動實現

2.1 Linux系統中USB驅動結構

USB內核模塊是Linux系統中USB子系統的核心模塊，它為USB驅動(設備和主控制器)提供了一個統一的接口，以訪問和控制USB硬件。

如圖2所示，應用程序發出的USB請求塊(URB)經過上層的USB設備驅動和USB內核后到達USB主控制器。處于最底層USB主控制器的驅動(HCD)是USB主機直接與硬件交互的軟件模塊，它將解析URB后，再將數據發送到指定的USB設備上。

2.2 ISP1761主控制器驅動的實現

圖3為ISP1761與操作系統相連接的接口框圖。圖5中，ISP1761要完成操作系統與USB設備的通信。驅動部分主要分兩個層次：ISP1761硬件抽象層(HAL)和主控制器驅動(HCD)層。前者，通過GPIO接口和操作系統平臺的相關函數來完成訪問ISP1761硬件的功能;后者，主要實現將數據傳輸給連接的USB設備，并管理根集中器端口的功能。

因此，該設計的軟件驅動部分主要由以下兩個層次來完成USB主機端的驅動功能。

(1)ISP1761的HAL層。首先初始化設備結構，并添加設備到系統的設備層。其中，初始化部分主要完成ISP1761資源(如內存、中斷等)的初始化設置和AT91RM9200處理器的初始化設置，為后期注冊驅動程序做準備。如果系統成功添加了設備，在加載和卸載ISP1761主控制器驅動程序到內核時，就會進一步執行平臺驅動程序的注冊，否則將不能注冊驅動程序。一旦注冊成功，驅動程序就已經和設備綁定，任何用戶態程序要操作此設備都可以通過platform_driver結構所定義的函數進行。下面給出該系統注冊的platform_driver結構：

其中，在設備探測和注銷等函數中調用了如下一個重要的結構體isp1761_dev。該結構體主要包含了ISP1761設備驅動的基本信息和中斷處理例程指針。

(2)ISP1761的HCD層。Philips公司的ISP1761主控制器芯片遵循EHCI標準。該層在加載和卸載ISP1761主控制器驅動到內核時被調用，主要負責與連接的USB設備進行數據傳輸，并管理根集中器端口。具體包括主控制器例程、內存管理、根集中器和中心集中器的管理、數據傳輸等。

其中，pehci_hcd_urb_enqueue()函數是該部分所要實現的重點函數，主要用于完成將來自USB core層的urb傳輸請求轉換成EHCI可識別的傳輸描述結構。然后安排到EHCI的periodic schedule list或者asynchronous schedule list的合適位置。當HC完成urb對應的傳輸后，EHCI HCD通過urb→cornplete()通知USB core對應的傳輸結果，最終完成通信過程。該函數的原型如下：

3 USB驅動的調試使用

USB驅動的正常使用必須在內核中正確選擇配置，除了默認配置之外，還要添加諸如SCSI設備的支持，VFAT文件格式的支持，新添加ISP1761驅動的支持等。ISP1761的驅動采用模塊方式編譯，系統啟動后，逐層插入驅動模塊加載USB主控制器驅動程序到內核。此時，系統插入U盤可成功獲得分區，如下所示：

執行掛載命令mount-t vfat/dev/scsi/host0/busO/target0/lun0/partl/mnt/ usb(前提是已經在/mnt目錄下建立了USB目錄，并且U盤的格式為win-dows下的vfat)便可成功掛載U盤到指定的目錄/mnt/usb下。

拷貝U盤上的文件到嵌入式系統，經多次測試，速度可達到約100～125 Mb/s，相比傳統的嵌入式Linux系統下對USB的支持，速度得到了很好的提高，基本滿足高速讀/寫的要求。

結語

隨著USB接口在嵌入式領域越來越廣泛的應用和嵌入式Linux內核的不斷擴展，嵌入式Linux內核支持的USB設備和USB主控制器越來越豐富，相應的驅動開發工作也將日益突出。該設計給出了嵌入式Linux系統下高速USB主控制器的硬件設計方案和驅動的實現方法，在提高系統性能的同時，降低了成本，有很好的實際應用價值。同時驅動的模塊化結構設計保持了其最大可移植性，對于嵌入式下USB主控制器的驅動開發具有很好的借鑒意義。

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